KR20220018846A - High-focus and high-sensitivity fluorescence detection scanning system equipped with a machine learning-based liquid sample quantitative analysis algorithm - Google Patents

High-focus and high-sensitivity fluorescence detection scanning system equipped with a machine learning-based liquid sample quantitative analysis algorithm Download PDF

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KR20220018846A
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Abstract

The present invention relates to a highly focused and a highly sensitive fluorescence detection scanning system with a machine learning-based liquid sample quantitative analysis algorithm for small quantitative polymerase chain reaction (aPCR) equipment, which detects and analyzes a multi-fluorescence signal on a genetic sample amplified during analysis at high sensitivity to improve a detection limit and sensitivity to improve analysis precision of molecular diagnosis. The fluorescence detection scanning system comprises: a multi-fluorescence detection optical module having a light emission-light detection scan structure; a two-dimensional driving stage supporting planar movement of the multi-fluorescence detection optical module; and a system control board controlling motions of the multi-fluorescence detection optical module and the two-dimensional driving stage.

Description

머신러닝 기반의 액상시료 정량 분석 알고리즘을 탑재한 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템{HIGH-FOCUS AND HIGH-SENSITIVITY FLUORESCENCE DETECTION SCANNING SYSTEM EQUIPPED WITH A MACHINE LEARNING-BASED LIQUID SAMPLE QUANTITATIVE ANALYSIS ALGORITHM}HIGH-FOCUS AND HIGH-SENSITIVITY FLUORESCENCE DETECTION SCANNING SYSTEM EQUIPPED WITH A MACHINE LEARNING-BASED LIQUID SAMPLE QUANTITATIVE ANALYSIS ALGORITHM

본 발명은 분석 과정에서 증폭 중인 유전자 시료에 대한 다중 형광신호를 고감도로 검출 및 분석하여 검출 한계와 민감도를 향상시키고 분자진단의 분석 정밀도를 향상시킬 수 있는 소형 qPCR(quantitative Polymerase Chain Reaction) 장비용 머신러닝 기반의 액상시료 정량 분석 알고리즘을 탑재한 다채널 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템에 관한 것이다.The present invention is a small qPCR (quantitative polymerase chain reaction) equipment that can detect and analyze multiple fluorescence signals with high sensitivity for a gene sample being amplified during the analysis process to improve the detection limit and sensitivity and improve the analysis precision of molecular diagnosis. It relates to a multi-channel, high-speed, high-sensitivity fluorescence detection scanning system equipped with a running-based quantitative analysis algorithm for liquid samples.

반자동 또는 자동화 액상시료 처리 기술을 바탕으로 하는 정량적 중합효소 연쇄 반응(quantitative PCR, qPCR 혹은 Real Time PCR)은 인큐베이션, 세척, 분리와 반응처리 등의 전처리 과정과 증폭 물질의 농도를 정량화하기 위한 분석 과정으로 구성된 분자진단 시스템을 지칭한다.Quantitative polymerase chain reaction (quantitative PCR, qPCR, or Real Time PCR) based on semi-automated or automated liquid sample processing technology is a pre-processing process such as incubation, washing, separation and reaction processing, and an analysis process to quantify the concentration of amplification materials It refers to a molecular diagnostic system composed of

국내 바이오 의료관련 벤처기업을 중심으로 면역진단 및 분자진단에 필요한 현장진단기기 개발을 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.Various attempts are being made to develop point-of-care diagnostic devices necessary for immune and molecular diagnostics, centering on domestic biomedical-related venture companies.

면역진단 분야에서는 멤브레인 분석법(column, lateral flow assay)을 적용한 신속 진단키트를 개발하고 진단키트에서 골드입자의 발색 정도, 형광 발현의 정도 등을 검출하고 분석하는 소형 신속현장진단기기 개발이 이루어지고 있다.In the field of immunodiagnostics, a rapid diagnostic kit applied with a membrane assay (column, lateral flow assay) has been developed, and a small rapid on-site diagnostic device that detects and analyzes the degree of color and fluorescence expression of gold particles in the diagnostic kit is being developed. .

의료 현장에서 필요로 하는 침습성 액상시료 전자동 진단시스템을 개발함에 있어 액상 시료에 대한 검출의 정확성과 정밀도를 높이기 위해서는 기존의 멤브레인 방식을 이용한 시료 검출이 아닌 액상을 이용한 검출법이 반드시 필요하다. 액상시료 전자동 진단시스템은 효율적이고 간편한 전처리 과정과 정확도가 높은 측정검출분석 과정이 적절히 배합되고 결합되어야 한다.In developing a fully automatic diagnostic system for invasive liquid samples required in the medical field, in order to increase the accuracy and precision of detection of liquid samples, a detection method using liquid rather than sample detection using the existing membrane method is absolutely necessary. In a liquid sample fully automatic diagnosis system, an efficient and simple pre-processing process and a high-accuracy measurement, detection and analysis process must be properly combined and combined.

기존이 통상적인 화학발광법은 효소증폭 반응에 따라 변화된 발광산물이 변화되는 신호가 누적 및 증폭되는 장점이 있지만 효소의 증폭 반응의 미세한 변동에 따라 신호 발생량이 변동하는 특성이 있다. 따라서 검출 과정마다 여러 농도의 표준 시료 검출을 동시에 진행하여 정량화를 위한 표준 곡선(standard curve)을 생성하지 않으면 검사 자체의 신뢰성을 잃게 되는 단점이 있다.The conventional conventional chemiluminescence method has the advantage of accumulating and amplifying the signal that the luminescent product changed according to the enzyme amplification reaction is changed, but has a characteristic that the signal generation amount fluctuates according to the minute fluctuation of the amplification reaction of the enzyme. Therefore, there is a disadvantage in that the reliability of the test itself is lost unless a standard curve for quantification is generated by simultaneously detecting standard samples of different concentrations in each detection process.

한편, 형광 검출방식은 효소 기반의 화학발광법에 비하여 상대적으로 검출 한계가 다소 낮으나, 포집된 형광 표지물질의 양과 형광 신호가 정량적 매칭을 하며, 주변 환경에 따른 형광량의 편차 발생이 거의 없어 검출값에 대한 즉각적인 정량화가 가능하다는 장점이 있다.On the other hand, the fluorescence detection method has a relatively low detection limit compared to the enzyme-based chemiluminescence method, but quantitatively matches the amount of the collected fluorescent label and the fluorescence signal, and there is almost no variation in the amount of fluorescence depending on the surrounding environment. It has the advantage of being able to immediately quantify the value.

한편, 현장성과 신속함을 보장하기 위한 진단용 PCR, 예컨대 qPCR, Real-Time PCR, Digital PCR 등에서는 고도화된 성능의 형광검출 시스템을 개발하고 탑재할 필요가 있다.On the other hand, it is necessary to develop and mount a fluorescence detection system with advanced performance in diagnostic PCR, such as qPCR, Real-Time PCR, and Digital PCR, to ensure on-site performance and speed.

또한, 액상시료용 다중 형광검출 시스템은 각 진단시스템 개발사의 핵심적 기술 요소이기 때문에 기존 진단시스템 개발사들이 비록 성과있는 결과물을 보유하고 있더라도 범용성 있게 타사 장비 개발에 개방하여 공급하고 있지 않는 상황이다. 이에 각 진단시스템 개발사들에서 사용할 측정검출분석 과정에 특화된 형광검출 시스템 개발이 필요하다.In addition, since the multiple fluorescence detection system for liquid samples is a core technology element of each diagnostic system developer, existing diagnostic system developers do not openly supply them to the development of other companies' equipment in a universal way, even if they have successful results. Therefore, it is necessary to develop a fluorescence detection system specialized for the measurement detection analysis process to be used by each diagnostic system developer.

이와 같이, 현재 의료 현장에서 진단용 PCR을 효과적으로 전처리하고 각 진단시스템 개발사의 측정검출분석 과정에 특화되어 적용할 수 있는 형광검출 스캐닝 시스템에 대한 개발 필요성에 대한 요구가 상당한 실정이다.As described above, there is a significant need for the development of a fluorescence detection scanning system that can effectively pre-process diagnostic PCR in the current medical field and can be specialized and applied to the measurement detection analysis process of each diagnostic system developer.

등록특허공보 제10-1847411호(2018.04.04)Registered Patent Publication No. 10-1847411 (2018.04.04)

본 발명은 전술한 종래 기술의 요구에 부응하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 분석 과정에서 증폭 중인 유전자 시료에 대한 다중 형광신호를 고감도로 검출 및 분석하여 검출 한계와 민감도를 향상시키고 분자진단의 분석 정밀도를 향상시킬 수 있는 소형 qPCR(quantitative Polymerase Chain Reaction) 장비용 머신러닝 기반의 액상시료 정량 분석 알고리즘을 탑재한 다채널 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템을 제공하는데 있다.The present invention was derived to meet the needs of the prior art, and an object of the present invention is to detect and analyze multiple fluorescence signals with high sensitivity for a gene sample being amplified during the analysis process to improve the detection limit and sensitivity, and to improve molecular diagnosis. The goal is to provide a multi-channel, high-speed, high-sensitivity fluorescence detection scanning system equipped with an algorithm for quantitative analysis of liquid samples based on machine learning for small qPCR (quantitative polymerase chain reaction) equipment that can improve the analysis precision of

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고집속 고감도 다채널 형광검출 스캐닝 시스템은, 미세빔 스폿 제어 기반의 고집속 고집광의 고감도 광학 모듈을 사용하며, 특히 액상시료 내 반응으로 검출된 형광 표지물질로부터의 방사(emission)광을 고감도로 검출하기 위하여 미세한 빔스폿으로 여기(exciting)광 에너지를 집속하고 광포집 효율이 높도록 고개구율의 렌즈를 사용한다. 또한, 광학 모듈 시스템은 다중 형광표지 물질의 광학 특성에 맞도록 방사광 광원으로 발광다이오드(light emitting diode, LED)와 파장대별 필터, 초소형 렌즈, 고감도의 광센서를 이용한 광학설계 구조를 구비하고, 적용할 액상 기반 소형, 자동화 장비의 제원에 맞추어 유연하게 조정할 수 있도록 설계된 광학계와 구동계를 구비한다.A high-speed, high-sensitivity, multi-channel fluorescence detection scanning system according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem uses a high-speed, high-light, high-sensitivity optical module based on fine beam spot control. In order to detect emission light from a fluorescent label with high sensitivity, a lens with a high aperture ratio is used to focus the exciting light energy into a fine beam spot and to increase the light collection efficiency. In addition, the optical module system has an optical design structure using a light emitting diode (LED) as a radiation light source, a filter for each wavelength band, a miniature lens, and a high-sensitivity optical sensor to match the optical characteristics of multiple fluorescent label materials, and is applied It is equipped with an optical system and a drive system designed to be flexibly adjusted according to the specifications of liquid-based small and automated equipment.

일실시예에서, 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템은, 미세영역 분할 스캐닝과 검출 밀도 상승 기술을 사용한다. 이 기술은 액상시료의 일정 체적내의 형광 물질을 한 번의 측정으로 검출하는 것이 아니라 측정 대상 영역을 미세한 단위로 세분한 미세영역 분할 방식으로 스캔하여 형광 신호를 검출하다.In one embodiment, the high-speed, high-sensitivity fluorescence detection scanning system uses micro-region segmentation scanning and detection density increase technology. This technology detects fluorescence signals by scanning the measurement target area in a micro-area division method, which is subdivided into minute units, rather than detecting the fluorescent material in a certain volume of a liquid sample with a single measurement.

일실시예에서, 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템은, 머신러닝 기반의 정량화 분석 기술을 사용한다. 이 기술은 반응 특성을 반영한 국소영역 분할 신호처리 정량화 알고리즘 기술을 포함한다. 즉, 머신러닝 기반의 정량화 분석 기술은 머신러닝 기반의 정량화 최적 커브 구성으로 노이즈 2차원 평면을 제거하고, 시그모이달(sigmoidal) 정량화 분석을 위한 파라미터를 자동 추출한다.In one embodiment, the high-speed, high-sensitivity fluorescence detection scanning system uses machine learning-based quantitative analysis technology. This technology includes a local region segmentation signal processing quantification algorithm technology that reflects the response characteristics. That is, the machine learning-based quantitative analysis technology removes the noise 2D plane by constructing the optimal quantification curve based on machine learning, and automatically extracts parameters for sigmoidal quantitative analysis.

또한, 일실시예에서 형광검출 스캐닝 시스템의 다중 형광물질에 대한 최적의 머신러닝 기반의 회귀분석을 통하여 최적의 반응함수 모델을 구성함으로써 기존 기술 대비 우수한 동적범위(Dynamic Range)와 결정계수(R2), 측정한계(Limit of Detection)를 구현할 수 있다.In addition, in an embodiment, an optimal response function model is constructed through an optimal machine learning-based regression analysis for multiple fluorescent substances in the fluorescence detection scanning system, which has superior dynamic range and coefficient of determination (R2) compared to existing technologies. , the limit of detection can be implemented.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 고집속 고감도 다채널 형광검출 스캐닝 시스템은, 광방출-광검출 스캔 구조를 구비하는 다중 형광검출 광학 모듈; 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 평면 이동을 지지하는 2차원 구동 스테이지; 및 상기 다중 형광검출 광학 모듈과 상기 2차원 구동 스테이지의 동작을 제어하는 시스템 제어 보드를 포함한다.A high-speed and high-sensitivity multi-channel fluorescence detection scanning system according to another aspect of the present invention for solving the above technical problem includes: a multi-fluorescence detection optical module having a light emission-photodetection scan structure; a two-dimensional driving stage supporting the plane movement of the multi-fluorescence detection optical module; and a system control board for controlling operations of the multiple fluorescence detection optical module and the two-dimensional driving stage.

일실시예에서, 상기 다중 형광검출 광학 모듈은, 광원, 상기 광원의 조사 광 경로 상에 배치되는 대물 렌즈, 상기 광원의 광 경로 상에 배치되는 미러, 상기 미러를 통과하는 광을 반사하는 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼, 상기 샘플 플랫폼에서 반사된 광을 상기 미러의 반사를 통해 수신하는 디텍터, 및 상기 미러와 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 집광 렌즈를 구비한다.In one embodiment, the multi-fluorescence detection optical module includes a light source, an objective lens disposed on an irradiation light path of the light source, a mirror disposed on the light path of the light source, and a well reflecting light passing through the mirror ( well) type sample platform, a detector for receiving light reflected from the sample platform through reflection of the mirror, and a condensing lens disposed between the mirror and the detector.

일실시예에서, 상기 다중 형광검출 광학 모듈은, 광원, 상기 광원의 조사 광 경로 상에 배치되는 대물 렌즈, 상기 광원의 광을 반사하는 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼, 상기 광원 옆에 배치되고 상기 샘플 플랫폼에서 반사된 광을 검출하는 디텍터, 상기 샘플 플랫폼과 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 집광 렌즈, 및 상기 집광 렌즈와 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 방출 필터를 구비한다.In one embodiment, the multi-fluorescence detection optical module includes a light source, an objective lens disposed on an irradiation light path of the light source, a well-type sample platform that reflects the light of the light source, and is disposed next to the light source and a detector for detecting light reflected from the sample platform, a condensing lens disposed between the sample platform and the detector, and an emission filter disposed between the condensing lens and the detector.

일실시예에서, 상기 광원은 각 채널별 다중 형광 파장대를 수용하는 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 어레이 형태로 배열된 구조를 구비한다.In an embodiment, the light source has a structure in which light emitting diodes (LEDs) accommodating multiple fluorescence wavelength bands for each channel are arranged in an array form.

일실시예에서, 상기 2차원 구동 스테이지는, 제1 방향 또는 가로 방향으로 연장하는 제1 슬라이드 바; 상기 제1 슬라이드 바에 결합하여 상기 제1 슬라이드 바를 따라 이동하는 제1 슬라이드 바 조인트; 상기 제1 슬라이드 바의 일단부에 결합하고 상기 제1 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제1 구동부; 상기 제1 슬라이드 바 조인트에 일단부가 결합하고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향 또는 세로 방향으로 연장하는 제2 슬라이드 바; 상기 제2 슬라이드 바에 결합하고 상기 제2 슬라이드 바를 따라 이동하는 제2 슬라이드 바 조인트; 및 상기 제2 슬라이드 바의 타단부에 결합하고 상기 제2 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제2 구동부;를 구비하며, 상기 제1 슬라이브 바는 복수의 제1 바들(first bars)이 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 직교하는 제3 방향으로 이격 배치되고, 상기 제1 슬라이드 바 조인트는 복수의 제1 바들에 슬라이드 가능하게 결합하며, 상기 제2 슬라이브 바는 복수의 제2 바들(second bars)이 상기 제3 방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 슬라이드 바 조인트는 상기 복수의 제2 바들에 슬라이딩 가능하게 결합하며, 상기 제2 슬라이드 바 조인트의 상기 제3 방향에서의 일면에는 상기 다중 형광검출 광학 모듈이 결합된다.In an embodiment, the two-dimensional driving stage may include: a first slide bar extending in a first direction or a transverse direction; a first slide bar joint coupled to the first slide bar and moving along the first slide bar; a first driving unit coupled to one end of the first slide bar and installed to move the first slide bar joint; a second slide bar having one end coupled to the first slide bar joint and extending in a second direction orthogonal to the first direction or a longitudinal direction; a second slide bar joint coupled to the second slide bar and moving along the second slide bar; and a second driving unit coupled to the other end of the second slide bar and installed to move the second slide bar joint, wherein the first slide bar includes a plurality of first bars. spaced apart from each other in a first direction and a third direction perpendicular to the second direction, the first slide bar joint is slidably coupled to the plurality of first bars, and the second slide bar includes the plurality of second bars Second bars are spaced apart in the third direction, the second slide bar joint is slidably coupled to the plurality of second bars, and one surface of the second slide bar joint in the third direction has The multiple fluorescence detection optical modules are combined.

일실시예에서, 상기 시스템 제어 보드는, 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 광원들의 동작을 제어하고, 스텝 모터의 동작 제어를 통해 상기 2차원 구동 스테이지의 동작을 제어하며, 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 디텍터들의 검출 신호를 수신하고, 수신한 검출 신호를 진단시스템에 전달한다.In an embodiment, the system control board controls the operation of the plurality of light sources of the multi-fluorescence detection optical module, controls the operation of the two-dimensional driving stage through operation control of a step motor, and the multi-fluorescence detection optical module The detection signal of the plurality of detectors of the module is received, and the received detection signal is transmitted to the diagnostic system.

일실시예에서, 상기 시스템 제어 보드의 메인제어부는, 액상시료가 담긴 배열 웰(array wells)을 가로 및 세로로 분할한 복수의 미세영역들에 대해 스캐닝을 복수회 반복한다.In an embodiment, the main control unit of the system control board repeats scanning a plurality of times for a plurality of microregions in which array wells containing a liquid sample are horizontally and vertically divided.

일실시예에서, 상기 메인제어부는 센서를 이용하여 온도 변화를 검출하고, 상기 온도 변화에 따라 미리 설정된 기준 곡선에 기초하여 상기 복수의 디텍터들의 검출 신호에 대한 온도 보상을 수행한다.In an embodiment, the main controller detects a temperature change using a sensor, and performs temperature compensation on the detection signals of the plurality of detectors based on a preset reference curve according to the temperature change.

일실시예에서, 상기 메인제어부는 3차원적 공간에 분포하는 액상시료의 검출 반응 정도에 따른 형광 산포의 유효 범위에 따라 초점 위치를 조정한다.In one embodiment, the main controller adjusts the focal position according to the effective range of fluorescence dispersion according to the detection reaction degree of the liquid sample distributed in the three-dimensional space.

일실시예에서, 상기 진단시스템은 회귀적 분석 기반의 머신러닝 알고리즘이나 정량적 분석 알고리즘을 통해 상기 검출 신호를 포함한 2차원 혹은 3차원 측정 데이터의 비선형 또는 곡면에 대한 유효 구간을 결정한다.In an embodiment, the diagnosis system determines an effective interval for a nonlinear or curved surface of 2D or 3D measurement data including the detection signal through a regression analysis-based machine learning algorithm or a quantitative analysis algorithm.

전술한 형광검출 스캐닝 시스템을 사용하면, 고도화된 qPCR, Real-Time PCR, 또는 Digital PCR 분야에 적용이 가능한 액상시료용 6채널 정량분석 형광검출 스캐닝 시스템을 제공할 수 있다. 다시 말해, 광학 설계를 통해 고집속, 고집광 효율을 높일 수 있고, 광학계 및 구동계의 유연 설계 구조를 통해 진단시스템 장비에 대한 적응력을 갖추고 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)가 높은 최대 출력의 검출 신호를 얻을 수 있으며, 이를 통해 현장성과 신속함을 보장하기 위한 일체형 진단용 PCR에 탑재되는 형광검출 스캐닝 시스템으로서 그 검출 한계와 민감도를 확보할 수 있다.Using the above-described fluorescence detection scanning system, it is possible to provide a 6-channel quantitative analysis fluorescence detection scanning system for liquid samples applicable to advanced qPCR, real-time PCR, or digital PCR fields. In other words, high speed and high light efficiency can be increased through optical design, and the flexible design structure of the optical system and drive system has the ability to adapt to diagnostic system equipment and has a high signal-to-noise ratio (SNR). The detection signal of the output can be obtained, and through this, the detection limit and sensitivity can be secured as a fluorescence detection scanning system mounted on an integrated diagnostic PCR to ensure on-site performance and speed.

또한, 본 발명에 의하면, 일정 대상 면적을 여러 개의 분할된 영역으로 분할 시 소규모 단위 면적당 형광 물질의 검출 밀도를 높일 수 있다. 즉, 기존 기술의 경우 대상 면적 100 중에서 1개의 변이성 물질이 있을 경우 1/100의 비율로 위양성(false negative)을 야기할 수 있는 반면에, 대상 면적을 100개로 나누어 측정하는 미세영역 분할 검출 방식의 본 실시예의 경우 변이성 물질은 1/1의 확률로 검출할 수 있어 검출 확률을 획기적으로 높일 수 있고, 그에 의해 시스템의 검출 효율성과 정밀도를 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, when a predetermined target area is divided into several divided areas, it is possible to increase the detection density of the fluorescent material per small unit area. That is, in the case of the existing technology, if there is one mutagenic substance out of 100 target areas, false negatives can be caused at a ratio of 1/100, whereas the micro-region detection method in which the target area is divided into 100 is measured. In the present embodiment, the mutable substance can be detected with a probability of 1/1, so that the detection probability can be dramatically increased, thereby improving the detection efficiency and precision of the system.

또한, 본 발명에 의하면, 검출 신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위해 많은 데이터를 수집하고 기계학습을 통한 최적 노이즈 제거 알고리즘 구현으로 총합 검출 신호의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)를 획기적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 검출한 측정신호에 대한 효율적인 잡음제거와 파형분석에 적합한 비선형 모델함수를 찾아내기 위한 머신러닝 기반의 정량화 분석 기술을 적용함으로써 정량적 계산의 오차를 최소화할 수 있고, 그에 의해 시스템의 정량화의 재현성과 정확도가 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, the signal-to-noise ratio (SNR) of the total detection signal is dramatically improved by collecting a lot of data to remove noise included in the detection signal and implementing an optimal noise removal algorithm through machine learning. can be increased to That is, according to the present invention, it is possible to minimize the error of quantitative calculation by applying a machine learning-based quantitative analysis technique to find a nonlinear model function suitable for efficient noise removal and waveform analysis of the detected measurement signal, and thereby The reproducibility and accuracy of the quantification of the system can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템의 우측면도이다.
도 3은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템의 배면도이다.
도 4는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에서 상부 커버를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에서 상부 커버와 측면 몸체 케이스를 를 제거한 상태를 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 5의 형광검출 스캐닝 시스템을 하부측에서 본 모식도이다.
도 7은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 2차원 구동 스테이지에 대한 예시도이다.
도 8은 도 7의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 고감도 공초점 광학 검출을 위한 구성에 대한 예시도이다.
도 9는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 다른 2차원 구동 스테이지에 대한 예시도이다.
도 10은 도 7의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 고감도 공초점 광학 검출을 위한 다른 구성에 대한 예시도이다.
도 11은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 여기광원 선정 과정과 광검출기 설정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 제어 보드의 구성과 작동계통에 대한 예시도이다.
도 13은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 스캐닝 스케쥴러 상태 머신의 구성 방안에 대한 예시도이다.
도 14는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 미세영역 분할 스캔 및 신호처리 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 15는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 전체 영역 검출과 미세영역 분할 검출에 의한 검출밀도 향상 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 16 및 도 17은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 머신러닝 기반의 정량화 분석 과정을 설명하기 위한 예시도들이다.
도 18은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 신속진단키트를 설명하기 위한 예시도이다.
도 19는 도 18의 신속진단키트의 내부 다중 바이오마커 어레이 구조에 대한 예시도이다.
도 20은 도 19의 바이오마커 어레이에서 검출한 바이오마커 농도와 광검출값의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 21은 도 19의 바이오마커 어레이 스캔 시 가변 출력 조사광의 적용 과정에 대한 예시도이다.
도 22는 도 19의 바이오마커 어레이에 대한 가변 출력 조사광의 특성 곡선들에 대한 예시도이다.
도 23은 도 22의 특성 곡선들을 이용하여 광범위 농도의 바이오마커에 대한 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 제어시스템에 대한 블록도이다.
1 is a perspective view of a fluorescence detection scanning system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a right side view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 3 is a rear view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
4 is a perspective view illustrating a state in which an upper cover is removed from the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
5 is a schematic diagram illustrating a state in which the upper cover and the side body case are removed from the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 6 is a schematic view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 5 as viewed from the lower side.
FIG. 7 is an exemplary diagram of a two-dimensional driving stage that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 8 is an exemplary diagram of a configuration for high-sensitivity confocal optical detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 7 .
FIG. 9 is an exemplary diagram of another two-dimensional driving stage that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 10 is an exemplary diagram of another configuration for high-sensitivity confocal optical detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 7 .
11 is a view for explaining a process of selecting an excitation light source and setting a photodetector that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
12 is an exemplary diagram of a configuration and operating system of a control board that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
13 is an exemplary diagram of a configuration method of a scanning scheduler state machine that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining a micro-region division scan and signal processing process that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
FIG. 15 is an exemplary view for explaining a process of improving detection density by whole-area detection and fine-region segmentation detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
16 and 17 are exemplary diagrams for explaining a machine learning-based quantification analysis process that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
18 is an exemplary view for explaining a rapid diagnosis kit that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .
19 is an exemplary diagram of the internal multi-biomarker array structure of the rapid diagnostic kit of FIG. 18 .
20 is a graph illustrating a correlation between a biomarker concentration detected in the biomarker array of FIG. 19 and a photodetection value.
FIG. 21 is an exemplary diagram of an application process of variable output irradiation light when scanning the biomarker array of FIG. 19 .
22 is an exemplary diagram illustrating characteristic curves of variable output irradiated light with respect to the biomarker array of FIG. 19 .
FIG. 23 is a diagram for explaining a detection process for a biomarker of a wide concentration using the characteristic curves of FIG. 22 .
24 is a block diagram of a control system employable in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템의 사시도이다. 도 2는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템의 우측면도이다. 도 3은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템의 배면도이다. 도 4는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에서 상부 커버를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 도 5는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에서 상부 커버와 측면 몸체 케이스를 제거한 상태를 나타낸 모식도이다. 그리고, 도 6은 도 5의 형광검출 스캐닝 시스템을 하부측에서 본 모식도이다.1 is a perspective view of a fluorescence detection scanning system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a right side view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . FIG. 3 is a rear view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . 4 is a perspective view illustrating a state in which an upper cover is removed from the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which an upper cover and a side body case are removed from the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . And, FIG. 6 is a schematic view of the fluorescence detection scanning system of FIG. 5 as viewed from the lower side.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 고집속 고감도 형광검출 스캐닝 시스템(이하 간략히 형광검출 스캐닝 시스템이라 한다)(100)은, 가로 20㎝ 내지 40㎝, 세로 20㎝ 내지 40㎝, 높이 20㎝ 내지 40㎝ 정도 사이즈의 직방체 형태의 하우징을 구비한다. 하우징은 서로 체결되어 직방체 형태를 가질 수 있는 상부 커버, 측면 몸체 케이스 및 하부 지지대를 구비할 수 있다.1 to 6 , a high-speed and high-sensitivity fluorescence detection scanning system (hereinafter, simply referred to as a fluorescence detection scanning system) 100 according to the present embodiment has a width of 20 cm to 40 cm, a length of 20 cm to 40 cm, A rectangular-shaped housing having a height of about 20 cm to 40 cm is provided. The housing may include an upper cover, a side body case, and a lower support that are fastened to each other to have a rectangular parallelepiped shape.

또한, 형광검출 스캐닝 시스템(100)은 그 내부에 다중 형광검출 광학 모듈(10), 2차원 구동 스테이지(20) 및 시스템 제어 보드(30)를 구비한다.In addition, the fluorescence detection scanning system 100 includes a multiple fluorescence detection optical module 10 , a two-dimensional driving stage 20 and a system control board 30 therein.

본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템(100)은, 현장성과 신속함을 보장하기 위한 일체형 진단용 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 탑재되는 시스템으로서 그 검출 한계와 민감도를 확보할 수 있다.The fluorescence detection scanning system 100 according to the present embodiment is a system mounted on an integrated diagnostic PCR (Polymerase Chain Reaction) to ensure on-site performance and speed, and its detection limit and sensitivity can be secured.

검출 한계와 민감도를 향상시켜 현장성과 신속함을 보장하는 형광검출 스캐닝 시스템을 구현하기 위한 구체적인 구성은 아래의 상세한 설명에서 언급될 것이다.A specific configuration for implementing a fluorescence detection scanning system that improves the detection limit and sensitivity to ensure on-site performance and rapidity will be mentioned in the detailed description below.

도 7은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 2차원 구동 스테이지에 대한 예시도이다. 도 8은 도 7의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 고감도 공초점 광학 검출을 위한 구성에 대한 예시도이다.FIG. 7 is an exemplary diagram of a two-dimensional driving stage that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . FIG. 8 is an exemplary diagram of a configuration for high-sensitivity confocal optical detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 7 .

도 7의 (a) 및 (b)와 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 다중 형광검출 광학모듈(이하 간략히 광학모듈이라고도 한다)(10)과 이 광학모듈(10)의 평면 움직임을 지원하는 2차원 구동 스테이지(20)를 구비한다.7 (a) and (b) and 8, the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment includes a multiple fluorescence detection optical module (hereinafter also simply referred to as an optical module) 10 and the optical module 10. A two-dimensional driving stage 20 that supports the in-plane movement of

광학모듈(10)은 고집속이 가능하게 다양한 광경로를 갖도록 설계되고 제작된다. 광학모듈(10)은 LED, 대물 렌즈(objective lens), 디텍터(detector), 방출 필터(emission filter), 집광 렌즈(condensing lens), 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼(2), 미러(mirror)를 구비하고, LED에서 대물렌즈를 통해 조사되는 빔이 미러를 통과한 후 웰에서 반사되고 미러에서 다시 반사된 후 집광 렌즈와 조사 필터를 통해 디텍터(detector)에 검출되도록 동작할 수 있다.The optical module 10 is designed and manufactured to have various optical paths to enable high speed. The optical module 10 includes an LED, an objective lens, a detector, an emission filter, a condensing lens, a well-type sample platform 2, and a mirror. It is possible to operate so that the beam irradiated from the LED through the objective lens passes through the mirror, is reflected by the well, is reflected back from the mirror, and then is detected by the detector through the condensing lens and the irradiation filter.

다시 말해서, 광학모듈(10)은, 발광다이오드(LED) 등의 광원, 광원의 조사 광 경로 상에 배치되는 대물 렌즈, 광원의 광 경로 상에 배치되는 미러, 미러를 통과하는 광을 반사하는 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼(2), 샘플 플랫폼(2)의 각 웰(well)에서 반사된 광을 미러의 반사를 통해 수신하는 디텍터, 및 미러와 디텍터와의 사이에 배치되는 집광 렌즈를 구비한다.In other words, the optical module 10 includes a light source such as a light emitting diode (LED), an objective lens disposed on the irradiation light path of the light source, a mirror disposed on the light path of the light source, and a well reflecting light passing through the mirror. (well) type sample platform 2, a detector that receives light reflected from each well of the sample platform 2 through reflection of a mirror, and a condensing lens disposed between the mirror and the detector do.

즉, 광학모듈(10)은 고감도 다중 검출을 위해 어레이 형태의 샘플 플랫폼(2) 상에 상방출-측검출 스캔 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 위에서 아래쪽으로 향하도록 광을 방출하고, 아래에서 위쪽으로 반사되고 미러에서 다시 반사되는 광을 시스템 장치의 측면측에서 검출하는 방식으로 PCR에서의 형광을 검출할 수 있다.That is, the optical module 10 may be implemented in an upward emission-side detection scan method on the sample platform 2 in the form of an array for high-sensitivity multi-detection. That is, it is possible to detect fluorescence in PCR in such a way that light is emitted from top to bottom, and light reflected from bottom to top and reflected back from the mirror is detected from the side of the system device.

본 실시예에서 광학모듈(10)은 6개 튜브 동시 측정용 형광 검출 광학계의 배열 구조를 구비할 수 있다. 광원은 각 채널별 다중 형광 파장대를 수용하는 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 어레이 형태로 배열된 구조를 구비할 수 있다. 디텍터는 포토다이오드로 이루어진 디텍터 포토다이오드(detector phothdiode)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 애벌런시 포토다이오드(avalanche photodiode, APD), 실리콘광전자증배기(silicon photomultiplier, SiPM), 다중픽셀광자계수기(multi-pixel photon counter), 광전증폭관(photo multiplier tube, PMT) 등을 사용할 수 있다.In this embodiment, the optical module 10 may have an arrangement structure of a fluorescence detection optical system for simultaneous measurement of six tubes. The light source may have a structure in which light emitting diodes (LEDs) accommodating multiple fluorescence wavelength bands for each channel are arranged in an array form. The detector may include, but is not limited to, a detector photodiode including a photodiode, an avalanche photodiode (APD), a silicon photomultiplier (SiPM), and a multi-pixel photon. A multi-pixel photon counter, a photo multiplier tube (PMT), or the like may be used.

2차원 구동 스테이지(20)는, 제1 방향 또는 가로 방향으로 연장하는 제1 슬라이드 바; 제1 슬라이드 바에 결합하여 제1 슬라이드 바를 따라 이동하는 제1 슬라이드 바 조인트; 제1 슬라이드 바의 일단부에 결합하고 상기 제1 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제1 구동부; 제1 슬라이드 바 조인트에 일단부가 결합하고 제1 방향과 직교하는 제2 방향(또는 세로 방향)으로 연장하는 제2 슬라이드 바; 제2 슬라이드 바에 결합하고 제2 슬라이드 바를 따라 이동하는 제2 슬라이드 바 조인트; 및 제2 슬라이드 바의 타단부에 결합하고 제2 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제2 구동부를 구비한다.The two-dimensional driving stage 20 includes a first slide bar extending in a first direction or a transverse direction; a first slide bar joint coupled to the first slide bar and moving along the first slide bar; a first driving unit coupled to one end of the first slide bar and installed to move the first slide bar joint; a second slide bar having one end coupled to the first slide bar joint and extending in a second direction (or longitudinal direction) perpendicular to the first direction; a second slide bar joint coupled to the second slide bar and moving along the second slide bar; and a second driving unit coupled to the other end of the second slide bar and installed to move the second slide bar joint.

여기서, 제1 슬라이브 바는 복수의 제1 바들(first bars)이 제1 방향 및 제2 방향과 각각 직교하는 제3 방향으로 이격 배치되고, 제1 슬라이드 바 조인트는 복수의 제1 바들에 슬라이드 가능하게 결합한다.Here, in the first slide bar, a plurality of first bars are spaced apart from each other in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, respectively, and the first slide bar joint slides on the plurality of first bars. possible to combine

또한, 제2 슬라이브 바는 복수의 제2 바들(second bars)이 제3 방향으로 이격 배치되고, 제2 슬라이드 바 조인트는 복수의 제2 바들에 슬라이딩 가능하게 결합한다.In addition, in the second slide bar, a plurality of second bars are disposed to be spaced apart in a third direction, and the second slide bar joint is slidably coupled to the plurality of second bars.

위와 같은 2차원 구동 스테이지(20)에서 다중 형광검출 광학 모듈(10)은 제2 슬라이드 바 조인트의 제3 방향에서의 일면이나 일면측에 결합될 수 있다. 제3 방향은 2차원 구동 스테이지(20)에서 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼(이하 간략히 '웰 플레이트'라고도 한다)(2)를 향하는 방향에 대응된다.In the two-dimensional driving stage 20 as described above, the multiple fluorescence detection optical module 10 may be coupled to one side or one side of the second slide bar joint in the third direction. The third direction corresponds to a direction from the two-dimensional driving stage 20 toward a well-type sample platform (hereinafter also referred to as a 'well plate' for short) 2 .

본 실시예의 광학모듈(10)의 구성에 의하면, 액상시료가 담긴 웰 플레이트(2)의 제원 변동에 손쉬운 대응 구조를 확보할 수 있다.According to the configuration of the optical module 10 of the present embodiment, it is possible to secure a structure that easily responds to a specification change of the well plate 2 containing the liquid sample.

도 9는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 다른 2차원 구동 스테이지에 대한 예시도이다. 도 10은 도 9의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 고감도 공초점 광학 검출을 위한 다른 구성에 대한 예시도이다. 도 11은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 여기광원 선정 과정과 광검출기 설정 과정을 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 9 is an exemplary diagram of another two-dimensional driving stage that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . FIG. 10 is an exemplary diagram of another configuration for high-sensitivity confocal optical detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 9 . 11 is an exemplary view for explaining a process of selecting an excitation light source and setting a photodetector that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

도 9의 (a) 및 (b)와 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 다중 형광검출 광학모듈(10)과 이 광학모듈(10)의 평면 움직임을 지원하는 2차원 구동 스테이지(20)를 구비한다. 다중 형광검출 광학모듈(10)은 고감도 검출을 위해 상방출-상검출 스캔 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 위에서 아래쪽으로 향하도록 광을 방출하고, 아래에서 위쪽으로 반사되는 광을 상부측에서 검출하는 방식으로 PCR의 형광을 검출할 수 있다.9 (a) and (b) and 10, the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment is a multi-fluorescence detection optical module 10 and a two-dimensional support for the plane movement of the optical module 10. A driving stage 20 is provided. The multiple fluorescence detection optical module 10 may be implemented in an upward emission-phase detection scan method for high-sensitivity detection. That is, the fluorescence of PCR can be detected by emitting light from top to bottom and detecting the light reflected from bottom to top from the top side.

광학모듈(10)은 고집속이 가능한 다양한 광경로를 갖도록 설계되고 제작된다. 광학모듈(10)은 LED를 포함하는 광원, 대물 렌즈(objective lens), 디텍터 포토다이오드(detector phothdiode), 방출 필터(emission filter), 집광 렌즈(condensing lens), 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼(2)을 구비하고, LED에서 대물렌즈를 통해 조사되는 빔이 웰에서 반사되어 나올 때 LED 옆에 설치된 디텍터 포토다이오드(detector PD)로 신호를 검출하도록 구성될 수 있다.The optical module 10 is designed and manufactured to have various optical paths capable of high speed. The optical module 10 includes a light source including an LED, an objective lens, a detector photodiode, an emission filter, a condensing lens, and a well-type sample platform ( 2), and when the beam irradiated from the LED through the objective lens is reflected from the well, it can be configured to detect a signal with a detector photodiode (detector PD) installed next to the LED.

여기서, 샘플 플랫폼(2)과 마주하는 디텍터 포토다이오드 상에는 웰에서 반사된 광이 집광 렌즈와 방출 필터를 통해 입사될 수 있다.Here, light reflected from the well may be incident on the detector photodiode facing the sample platform 2 through a condensing lens and an emission filter.

광원은 도 11의 (a)에 나타낸 바와 같이 각 채널별 다중 형광 파장대를 수용하는 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 어레이 형태로 배열된 구조를 구비할 수 있다. 각 채널별 다중 형광 파장대를 형성하기 위해 LED 광원에는 제1 채널 FAM(450~490㎚), 제2 채널 HEX(515~535㎚), 제3 채널 Texas Red(560~590㎚), 제4 채널 Cy5(620~650㎚), 제5 채널 Quasar 705(673~684㎚), 제6 채널 흑광(blank light)을 위한 여기 염료(excitation dye)가 사용될 수 있다.The light source may have a structure in which light emitting diodes (LEDs) accommodating multiple fluorescence wavelength bands for each channel are arranged in an array as shown in FIG. 11A . In order to form multiple fluorescence wavelength bands for each channel, the LED light source includes the first channel FAM (450-490 nm), the second channel HEX (515-535 nm), the third channel Texas Red (560-590 nm), and the fourth channel. An excitation dye for Cy5 (620 to 650 nm), a fifth channel Quasar 705 (673 to 684 nm), and a sixth channel blank light may be used.

이와 유사하게, 디텍터는 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같이 각 채널별 다중 형광 파장대의 신호를 검출하는 포토다이오드가 어레이 형태로 배열된 구조를 구비할 수 있다. 각 채널별 다중 형광 파장대의 신호를 검출하기 위해 디텍터에는 제1 채널 FAM(510~530㎚), 제2 채널 HEX(560~580㎚), 제3 채널 Texas Red(610~650㎚), 제4 채널 Cy5(675~690㎚), 제5 채널 Quasar 705(705~730㎚), 제6 채널 흑광(blank light)을 위한 방출 염료(emission dye) 혹은 검출 염료(detection dye)가 사용될 수 있다.Similarly, as shown in FIG. 11B , the detector may have a structure in which photodiodes for detecting signals of multiple fluorescence wavelength bands for each channel are arranged in an array form. In order to detect signals in multiple fluorescence wavelength bands for each channel, the detector includes the first channel FAM (510-530 nm), the second channel HEX (560-580 nm), the third channel Texas Red (610-650 nm), and the fourth channel. An emission dye or a detection dye for the channel Cy5 (675 to 690 nm), the fifth channel Quasar 705 (705 to 730 nm), and the sixth channel blank light may be used.

본 실시예에서 광학모듈(10)은 6개 튜브 동시 측정용 형광 검출 광학계의 배열 구조를 구비할 수 있다.In this embodiment, the optical module 10 may have an arrangement structure of a fluorescence detection optical system for simultaneous measurement of six tubes.

2차원 구동 스테이지(20)는 도 7 및 도 8을 참조한 대응 구성요소와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세설명은 생략한다.Since the two-dimensional driving stage 20 is substantially the same as the corresponding components with reference to FIGS. 7 and 8 , a detailed description thereof will be omitted.

본 실시예의 광학모듈에 의하면, 액상시료가 담긴 웰 플레이트 제원의 변동에 손쉬운 대응 구조를 확보할 수 있다.According to the optical module of this embodiment, it is possible to secure a structure that easily responds to variations in the specifications of the well plate containing the liquid sample.

도 12는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 제어 보드의 구성과 작동계통에 대한 예시도이다.12 is an exemplary diagram of a configuration and operating system of a control board that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 시스템 제어 보드(이하 간략히 '제어보드'라고도 한다)(30)는 메인제어부(main control unit, MCU, 50), 입력부(62), 구동계 제어부(64), 전원부(66) 및 출력부(68)를 구비한다. 입력부(62)는 복수의 포토다이오드(PD1 내지 PD6 등)를 구비한 디텍터에 대응된다. 구동계 제어부(64)는 스텝 모터(step motor)나 이에 상응하는 기능을 수행하는 액추에이터를 포함한다. 전원부(66)는 상용전원이나 이차전지 등의 메인 파워(main power)를 구비한다. 출력부(68)는 복수의 발광다이오드(LED1 내지 LED6 등) 어레이를 구비할 수 있다. Referring to FIG. 12 , the system control board (hereinafter also referred to as a 'control board') 30 according to the present embodiment includes a main control unit (MCU, 50), an input unit 62, and a drive system control unit 64. , a power supply unit 66 and an output unit 68 are provided. The input unit 62 corresponds to a detector including a plurality of photodiodes (PD1 to PD6, etc.). The drive system control unit 64 includes a step motor or an actuator that performs a function corresponding thereto. The power supply unit 66 includes a main power such as a commercial power supply or a secondary battery. The output unit 68 may include an array of a plurality of light emitting diodes (LED1 to LED6, etc.).

제어보드(30)는, 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 광원들의 동작을 제어하고, 스텝 모터의 동작 제어를 통해 상기 2차원 구동 스테이지의 동작을 제어하며, 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 디텍터들의 검출 신호를 수신하고, 수신한 검출 신호를 진단시스템(70)에 전달한다. 진단시스템(70)은 회귀적 분석 기반의 머신러닝 알고리즘이나 정량적 분석 알고리즘을 통해 검출 신호를 포함한 2차원 혹은 3차원 측정 데이터의 비선형 또는 곡면에 대한 유효 구간을 결정할 수 있다.The control board 30 controls the operation of the plurality of light sources of the multi-fluorescence detection optical module, controls the operation of the two-dimensional driving stage through operation control of the step motor, and the plurality of detectors of the multi-fluorescence detection optical module Receives the detection signal of the two and transmits the received detection signal to the diagnostic system (70). The diagnosis system 70 may determine an effective section for a nonlinear or curved surface of 2D or 3D measurement data including a detection signal through a regression analysis-based machine learning algorithm or a quantitative analysis algorithm.

또한, 제어보드(30)의 메인제어부(50)는, 액상시료가 담긴 배열 웰(array wells) 즉 웰 플레이트를 가로 및 세로로 분할한 복수의 미세영역들에 대해 스캐닝을 복수회 반복하도록 동작할 수 있다.In addition, the main control unit 50 of the control board 30 operates to repeat the scanning a plurality of times for the array wells containing the liquid sample, that is, a plurality of microregions in which the well plate is divided horizontally and vertically. can

또한, 메인제어부(50)는 센서를 이용하여 웰 플레이트 주변의 온도 변화를 검출하고, 검출한 온도 변화에 따라 미리 설정된 기준 곡선에 기초하여 복수의 디텍터들의 검출 신호에 대한 온도 보상을 수행할 수 있다.In addition, the main controller 50 detects a temperature change around the well plate using a sensor, and performs temperature compensation on the detection signals of the plurality of detectors based on a preset reference curve according to the detected temperature change. .

아울러, 메인제어부(50)는 3차원적 공간에 분포하는 액상시료의 검출 반응 정도에 따른 형광 산포의 유효 범위에 따라 초점 위치를 조정할 수 있다. 그 경우, 2차원 구동 스테이지의 정밀 스캔 제어 동작과 조합하여 초점 위치를 정밀하게 조정함으로써 형광검출 스캐닝 시스템의 검출 한계와 민감도를 향상시키고 아울러 검출 효율과 정밀도를 향상시킬 수 있다.In addition, the main controller 50 may adjust the focal position according to the effective range of fluorescence dispersion according to the detection reaction degree of the liquid sample distributed in the three-dimensional space. In that case, by precisely adjusting the focal position in combination with the precise scan control operation of the two-dimensional driving stage, the detection limit and sensitivity of the fluorescence detection scanning system can be improved, and the detection efficiency and precision can be improved.

도 13은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 스캐닝 스케쥴러 상태 머신의 구성 방안에 대한 예시도이다.13 is an exemplary diagram of a configuration method of a scanning scheduler state machine that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 정밀 스캔 제어를 위한 스케줄러를 사용할 수 있다. 스케줄러는 펌웨어(firmware, F/W) 형태로 시스템의 메인제어부에 탑재될 수 있다.The fluorescence detection scanning system according to the present embodiment may use a scheduler for precise scan control. The scheduler may be mounted on the main control unit of the system in the form of firmware (F/W).

스케줄러는 액상시료가 담긴 96개(8행, 12열)의 웰에 대한 스캐닝을 위해 배열 웰을 8개의 서브영역들이나 미세영역들로 나누고 이를 적용하여 최소 4번/1열당의 왕복 스캐닝을 수행하도록 구성될 수 있다.The scheduler divides the array well into 8 sub-regions or micro-regions for scanning 96 wells (8 rows, 12 columns) containing liquid samples and applies them to perform at least 4 round-trip scans per column. can be configured.

스케줄러는 도 13에 도시한 바와 같이 제0번째열에서 제3번째열에 대하여 2차원 구동 스테이지에 의한 광학 모듈의 위치 이동(access_XY)(S81), 광원의 온(on)/오프(off) 동작(S82) 및 디텍터의 광검출 동작(S83)에 대한 일련의 과정을 수행한 후(S81 내지 S84), 제4번째열로 이동하고 제4번째열에서 제7번째열에 대하여 2차원 구동 스테이지에 의한 광학 모듈의 위치 이동(access_XY)(S85), 광원의 온(on)/오프(off) 동작(S86) 및 디텍터의 광검출 동작(S87)에 대한 일련의 과정을 수행한 후(S85 내지 S88), 제8번째열로 이동하고 제8번째열에서 제11번째열에 대하여 2차원 구동 스테이지에 의한 광학 모듈의 위치 이동(access_XY)(S89), 광원의 온(on)/오프(off) 동작(S90) 및 디텍터의 광검출 동작(S91)에 대한 일련의 과정을 수행한 후(S89 내지 S92), 제12번째열로 이동하고 제12번째열에 대하여 2차원 구동 스테이지에 의한 광학 모듈의 위치 이동(access_XY)(S93), 미리 설정된 행(12행)까지 반복되는 광원의 온(on)/오프(off) 동작(S94, S95) 및 디텍터의 광검출 동작에 대한 일련의 과정을 수행한 후(S93 내지 S95), 초기 위치로 이동(S96)하도록 설정될 수 있다.As shown in FIG. 13, the scheduler moves the position of the optical module by the two-dimensional driving stage (access_XY) (S81), the on/off operation of the light source with respect to the third column from the 0th column ( After performing a series of processes for S82) and the detector's photodetection operation (S83) (S81 to S84), move to the fourth column, and for the fourth column to the seventh column, optical by a two-dimensional driving stage After performing a series of processes for the position movement of the module (access_XY) (S85), the on/off operation of the light source (S86), and the photodetection operation of the detector (S87) (S85 to S88), Move to the 8th column and move the position of the optical module by the two-dimensional driving stage with respect to the 8th column to the 11th column (access_XY) (S89), the on/off operation of the light source (S90) And after performing a series of processes for the photodetection operation (S91) of the detector (S89 to S92), move to the twelfth column and move the position of the optical module by the two-dimensional driving stage with respect to the twelfth column (access_XY) (S93), after performing a series of processes for the on/off operation of the light source (S94, S95) and the light detection operation of the detector that are repeated up to a preset row (12 rows) (S93 to S95) ), may be set to move to the initial position (S96).

전술한 스케줄러에 따라 정밀 스캔한 경우, 1왕복 소요시간은 약 20초이고, 하나의 열(column)에 대한 스캐닝 소요시간은 20초/왕복 * 4왕복/열의 계산과정에 따라 약 80초이고, 총 스캐닝 시간은 80초/열 * 12열의 계산과정에 따라 약 960초(16분)가 될 수 있다.When a detailed scan is performed according to the above scheduler, the time required for one round trip is about 20 seconds, and the scanning time for one column is about 80 seconds according to the calculation process of 20 seconds/round trip * 4 round trips/column, The total scanning time can be about 960 seconds (16 minutes) according to the calculation process of 80 seconds/row * 12 columns.

도 14는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 미세영역 분할 스캔 및 신호처리 과정을 설명하기 위한 개념도이다. 도 15는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 전체 영역 검출과 미세영역 분할 검출에 의한 검출밀도 향상 과정을 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 14 is a conceptual diagram for explaining a micro-region division scan and signal processing process that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . FIG. 15 is an exemplary view for explaining a process of improving detection density by whole area detection and fine area segmentation detection that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

도 14 및 도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 웰 플레이트(2)의 웰에 담긴 액상시료로부터 초점 위치 조정과 미세영역 분할을 통해 시료에 대한 형광검출 스캐닝을 실시한다.14 and 15 , the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment performs fluorescence detection scanning on the sample from the liquid sample contained in the well of the well plate 2 by adjusting the focal position and dividing the fine region.

즉, 본 실시예에서는 액상시료의 일정 체적내의 형광 물질을 한 번의 측정으로 검출하는 것이 아니라 측정 대상 영역을 미세한 단위로 세분한 미세영역 분할 방식으로 스캔하여 형광 신호를 검출한다. 일정 대상 면적을 여러 개의 분할된 영역으로 분할 시 소규모 단위 면적당 형광 물질의 검출 밀도를 높일 수 있다. 이는 도 15의 (a)의 비교예로 예시한 바와 같이 대상 면적 100 중에서 1개의 변이성 물질이 있을 경우 측정 데이터의 대응 영상 영역(40a)에서 1/100의 비율로 위양성(false negative)을 야기할 수 있는 반면에, 도 15의 (b)의 실시예로 예시한 바와 같이 대상 면적을 100개로 나누어 측정하는 미세영역 분할 검출 기술은 측정 데이터의 대응 영상 영역(40)에서 1/1의 확률로 검출할 수 있어 검출 확률을 획기적으로 높일 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따른 미세영역 분할 방식의 스캐닝 방법에 의하면, 검출 효율성과 정밀도가 향상될 수 있다.That is, in the present embodiment, the fluorescent signal is detected by scanning the measurement target region in a fine region division method in which the measurement target region is subdivided into fine units, rather than detecting the fluorescent material in a predetermined volume of the liquid sample by one measurement. When a certain target area is divided into several divided areas, it is possible to increase the detection density of the fluorescent material per small unit area. As exemplified by the comparative example of FIG. 15(a), when there is one mutagenic substance in the target area 100, it may cause false negatives at a ratio of 1/100 in the corresponding image region 40a of the measurement data. On the other hand, as exemplified by the embodiment of FIG. 15( b ), the fine-region division detection technique for measuring the target area by dividing it into 100 parts is detected with a probability of 1/1 in the corresponding image region 40 of the measurement data. This can dramatically increase the detection probability. As described above, according to the scanning method of the fine region division method according to the present embodiment, detection efficiency and precision can be improved.

도 16 및 도 17은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 머신러닝 기반의 정량화 분석 과정을 설명하기 위한 예시도들이다.16 and 17 are exemplary views for explaining a machine learning-based quantification analysis process that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템에서는 신속 진단키트의 스캔 라인 신호 데이터를 배열하고 분석하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시한 바와 같이 먼저 스캔 라인 신호 데이터 값을 연결하는 그래프를 일정 구간의 연속 신호 값들의 평균을 이용하여 근사 곡선으로 변환한다. 이러한 근사 곡선 변환 과정은 연속된 데이터의 3개 내지 12개의 데이터 포인트들을 구간 데이터로 설정하고 이 구간 데이터의 평균을 구하는 방식으로 이루어질 수 있다(도 16의 (a) 및 (b) 참조). 근사 곡선 변환 과정에 의하면, 스캔 라인 신호 데이터의 곡선이 부드러워지고(smooth), 신호 값이 약간 낮아질 수 있다.The fluorescence detection scanning system according to the present embodiment may include a process of arranging and analyzing the scan line signal data of the rapid diagnostic kit. For example, as shown in FIG. 16 , a graph connecting scan line signal data values is first converted into an approximate curve using the average of continuous signal values of a predetermined section. This approximate curve conversion process may be performed by setting 3 to 12 data points of continuous data as section data and calculating the average of the section data (see FIGS. 16 (a) and (b)). According to the approximate curve conversion process, the curve of the scan line signal data may be smoothed and the signal value may be slightly lowered.

다음, 관심 영역(region of interest, ROI)의 피크 값으로 정렬된 각 구간에서 피크 값을 기준으로 일정 폭 혹은 일정 세기를 갖는 스캔 라인 신호 데이터의 유효 영역(region of effect, ROE)을 결정한다. ROI1은 제어 신호 라인의 관심 영역이고 ROI2는 테스트 신호 라인의 관심 영역일 수 있으며, 그 역도 가능하다.Next, a region of effect (ROE) of scan line signal data having a predetermined width or constant intensity is determined based on a peak value in each section aligned with a peak value of a region of interest (ROI). ROI1 may be the region of interest of the control signal line and ROI2 may be the region of interest of the test signal line, and vice versa.

위의 과정은 신속 진단키트의 마이크로 어레이를 레이저빔의 스팟 영역이 스캔 라인을 따라 이동할 때 즉, 데이터 신호 라인이나 제어 신호 라인에 근접하거나 그 위를 경유하여 지나갈 때 각 신호 라인의 경계에서 생성되는 실질적으로 유효하지 않는 데이터를 제거하기 위한 것으로, 본 과정을 통해 분석 대상 데이터를 좀더 양질의 데이터로서만 한정하여 용량을 줄임으로써 신뢰성 높은 정량화 데이터를 제공할 수 있다.In the above process, the microarray of the rapid diagnostic kit is generated at the boundary of each signal line when the spot area of the laser beam moves along the scan line, that is, when it approaches or passes over the data signal line or the control signal line. This is to remove virtually invalid data, and through this process, reliable quantification data can be provided by limiting the data to be analyzed to only higher-quality data and reducing the capacity.

다음으로, 각 스캔 라인별로 각 유효 영역에 대한 데이터 값의 평균(ROE1, ROE2)을 구하여 정량화를 위한 최종 데이터를 출력할 수 있다(도 16의 (c) 참조). 최종 데이터는 각 유효 영역에 대한 데이터의 평균을 구하는 것으로 한정되지 않고, 중간 값을 취하거나 중간 범위의 값들에 대한 평균을 취하는 다양한 방법이 대체 사용 가능하다.Next, the average (ROE1, ROE2) of the data values for each valid area for each scan line may be obtained, and final data for quantification may be output (refer to FIG. 16(c) ). The final data is not limited to averaging the data for each valid region, and various methods of taking a median value or averaging values in the median range are alternatively available.

이와 같이, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 스트립 바 형태의 신속 진단키트의 마이크로 어레이 상의 시료를 미세영역 분할 스캔한 후 반응 특성을 반영한 국소영역 분할 신호처리 정량화 알고리즘을 적용하여 분석할 수 있다. 이러한 분석 과정은 검출 신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위해 수집된 데이터를 기계학습을 통해 노이즈를 제거함으로써 즉, 머신러닝 기반의 최적 노이즈 제거 알고리즘을 적용함으로써 총합 검출 신호의 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)를 유의미하게 증가시킬 수 있다. 즉, 머신러닝 기반으로 검출 신호에 대한 정량화 최적 커브 구성으로 정량 분석의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As described above, the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment can perform analysis by applying a local region division signal processing quantification algorithm that reflects the reaction characteristics after scanning a sample on the microarray of the rapid diagnostic kit in the form of a strip bar. . This analysis process removes noise through machine learning on the collected data to remove noise included in the detection signal, that is, by applying the optimal noise removal algorithm based on machine learning, the signal-to-noise ratio of the total detection signal (signal-to-noise ratio) noise ratio: SNR) can be significantly increased. That is, the reliability of quantitative analysis can be improved by constructing an optimal quantification curve for a detection signal based on machine learning.

또한, 본 실시예의 형광검출 스캐닝 시스템은 다중 형광물질에 대한 머신러닝 기반의 회귀 분석을 통하여 최적의 반응함수 모델을 구성함으로써 우수한 동적범위(Dynamic Range)와 결정계수(R2), 측정한계(Limit of Detection)를 구현할 수 있다. 또한, 검출한 측정신호에 대한 효율적인 잡음제거와 파형분석에 적합한 비선형 모델함수를 찾아내기 위한 머신러닝 기반의 정량화 분석 기술을 적용하고, 그에 의해 정량적 계산의 오차를 최소화할 수 있으며, 아울러 정량화의 재현성과 정확도를 향상시킬 수 있다.In addition, the fluorescence detection scanning system of this embodiment has excellent dynamic range, coefficient of determination (R2), and limit of measurement by constructing an optimal response function model through machine learning-based regression analysis for multiple fluorescent substances. detection) can be implemented. In addition, quantification analysis technology based on machine learning is applied to find a nonlinear model function suitable for efficient noise removal and waveform analysis of the detected measurement signal, thereby minimizing the error in quantitative calculation, and the reproducibility of quantification and accuracy can be improved.

예를 들어, 도 17에 나타낸 바와 같이, 머신러닝 기반의 정량화 분석 과정은 머신러닝 기반의 정량화 최적 커브 구성을 위해 노이즈 2차원 평면을 제거하고, 시그모이달(sigmoidal) 정량화 분석을 위한 파라미터를 자동 추출하도록 도입될 수 있다.For example, as shown in FIG. 17 , the machine learning-based quantification analysis process removes the noise 2D plane to construct an optimal quantification curve based on machine learning, and automatically adjusts parameters for sigmoidal quantification analysis. can be introduced to extract.

도 18은 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 신속진단키트를 설명하기 위한 예시도이다. 도 19는 도 18의 신속진단키트의 내부 다중 바이오마커 어레이 구조에 대한 예시도이다.FIG. 18 is an exemplary view for explaining a rapid diagnosis kit that can be employed in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 . 19 is an exemplary diagram of the internal multi-biomarker array structure of the rapid diagnostic kit of FIG. 18 .

본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템는 신속진단키트를 장착할 수 있도록 구현될 수 있다. 신속진단키트(100)는, 도 18에 도시한 바와 같이, 하우징(housing) 내부에 패드나 멤브레인 전체의 형태가 유지되도록 이들을 지지하는 플라스틱 플레이트 상에 길이 방향의 일측에서 타쪽으로 샘플 패드(sample pad), 연결 패드(conjugate pas), 멤브레인(membrane, 110) 및 흡수 패드(absorbent pad)를 차례로 일부씩 겹치도록 설치된 형태를 구비할 수 있다. 여기서 샘플 패드 상부에는 샘플 포트(sample port)가 배치된다.The fluorescence detection scanning system according to the present embodiment may be implemented to mount a rapid diagnosis kit. The rapid diagnosis kit 100 is, as shown in FIG. 18, a sample pad from one side to the other in the longitudinal direction on a plastic plate supporting them so that the overall shape of the pad or membrane is maintained inside the housing. ), a connection pad (conjugate pas), a membrane (membrane, 110), and an absorbent pad (absorbent pad) may be provided in a form installed to partially overlap in sequence. Here, a sample port is disposed on the sample pad.

액상 검체는 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이 하우징에 형성된 홀 형태의 샘플 포트를 통해 샘플 패드에 투입된 후 제1 화살표의 제1 방향(D1)을 따라 샘플 패드에서 흡수 패드 방향으로 측방유동된다. 제1 방향(D1)은 멤브레인의 길이 방향에 대응할 수 있다.As shown in FIGS. 18 and 19 , the liquid sample is introduced into the sample pad through a hole-shaped sample port formed in the housing, and then flows laterally from the sample pad to the absorption pad along the first direction D1 of the first arrow. The first direction D1 may correspond to the longitudinal direction of the membrane.

멤브레인(110) 상에는 샘플 패드에서 흡수 패드 방향으로 테스트 라인(test line, 220)과 콘트롤 라인(control line, 230)이 기재된 순서대로 형성된다. 또한, 멤브레인(210) 상에는 테스트 라인(220) 및 콘트롤 라인(230)의 이전 또는 이후의 위치에 각각 하나씩의 반사형 기준선이 설치될 수 있다.On the membrane 110 , a test line 220 and a control line 230 are formed in the order described in the direction from the sample pad to the absorption pad. In addition, one reflective reference line may be installed on the membrane 210 before or after the test line 220 and the control line 230 .

그 경우, 반사형 기준선은 멤브레인(210) 표면에 금속막을 좁은 폭으로 얇게 형성한 형태로 설치될 수 있다. 그 재질을 금속막으로 한 것은 자체의 금속 광택에 의해 조명광을 높은 비율로 안정적으로 반사시켜 스캐닝 시스템이 반사광을 명확하게 감지할 수 있도록 하기 위한 것이다.In this case, the reflective reference line may be installed in a form in which a thin metal film is formed on the surface of the membrane 210 to have a narrow width. The reason that the material is made of a metal film is to stably reflect the illumination light at a high rate by its metallic luster so that the scanning system can clearly detect the reflected light.

그리고 두께를 얇게 형성한 것은 금속막을 설치하는 멤브레인(210) 표면과 금속막 표면의 레벨 차이가 거의 없도록 하여 금속막의 반사형 기준선 표면에 초점을 맞추면 테스트 라인(220)이 설치된 멤브레인(210)의 표면에 초점을 맞추는 효과를 가질 수 있도록 한 것이다.In addition, the thin film thickness is such that there is almost no level difference between the surface of the membrane 210 on which the metal film is installed and the surface of the metal film, so that when the focus is on the reflective reference line surface of the metal film, the surface of the membrane 210 on which the test line 220 is installed This was done to have the effect of focusing on

또한, 금속막의 폭을 좁게 형성한 것은 스캐닝 시스템 및 그 분석부에 의해 금속막이 명확히 감지되는 범위 내에서 금속막의 측방유동 방향에서의 위치가 한 점에 가깝게 정확히 정의되도록 한 것이며, 금속막 폭이 커지고 개수가 많아지면 테스트 라인 등의 구성면적에 제한이 생길 수 있으므로 이를 방지하기 위한 것이다.In addition, the narrow width of the metal film is such that the position in the lateral flow direction of the metal film is precisely defined close to one point within the range where the metal film is clearly detected by the scanning system and its analysis unit, and the metal film width increases and the This is to prevent this because if the number increases, there may be restrictions on the area of the test line, etc.

반사형 기준선은 테스트 라인 전방이나 후방의 일정 거리 이격된 위치에 하나 설치되거나, 전후방에 하나씩 설치될 수 있는데, 전방이나 후방의 기준선이 제2 화살표(Scan2)와 같은 방향으로 이루어지는 1차 스캔에서 감지되면, 그 일정 거리 이후나 이전에 테스트 라인(220)이 있는 것으로 간주하고 스캐닝 시스템을 신속 진단키트에 대해 일정 거리만큼 이동시키고 테스트 라인(220)을 2차 스캔하면서 얻는 광신호를 분석에 사용할 수 있다.One reflective reference line may be installed at a predetermined distance apart from the front or rear of the test line, or one at the front and back. If it is, it is assumed that the test line 220 exists after or before the predetermined distance, the scanning system is moved by a certain distance with respect to the rapid diagnostic kit, and the optical signal obtained while the test line 220 is scanned secondarily can be used for analysis. have.

또한, 반사형 기준선을 테스트 라인(220)이나 콘트롤 라인(230)의 전후방에 하나씩 설치하는 경우, 1차 스캔에서 확인된 두 기준선 간격의 절반만큼 거리를 첫 기준선에서 이동시키면 테스트 라인(220) 위치라고 보고 이 위치에서 2차 스캔을 하면서 얻는 광신호를 테스트 라인의 광신호로 보고 분석을 수행할 수 있다.In addition, when the reflective reference line is installed one at the front and rear of the test line 220 or the control line 230, if the distance from the first reference line is moved by half the distance between the two reference lines confirmed in the first scan, the test line 220 position , and analysis can be performed by viewing the optical signal obtained during the secondary scan at this position as the optical signal of the test line.

테스트 라인(220)은 테스트 라인 영역 내에 복수의 포착 물질 영역이 행렬형태로 존재하는 어레이 구조를 구비한다. 어레이 구조는 마이크로어레이(221)로 지칭될 수 있다. 그 경우, 행렬을 이루는 각 영역을 지나가면서 광신호를 얻기 위해 스캔은 제1 스캔 방향(Scan1)으로 일정 간격씩 이동하면서 제1 스캔 방향과 직교하는 제2 스캔 방향(scan2)으로 스캐닝 동작하는 방식으로, 마치 웨이퍼 상의 각 다이(dye) 영역을 지그재그로 스캔하거나 스탭앤리피트(step and repeat) 방식으로 지나면서 검사하듯이 이루어질 수 있다.The test line 220 has an array structure in which a plurality of capture material regions exist in a matrix form within the test line region. The array structure may be referred to as a microarray 221 . In that case, in order to obtain an optical signal while passing through each area constituting the matrix, the scan is performed in a second scan direction scan2 orthogonal to the first scan direction while moving at regular intervals in the first scan direction Scan1. In this case, it can be performed as if each die area on the wafer is scanned in a zigzag or inspected while passing through in a step and repeat method.

스캐닝 시스템의 제어보드는 검출면 방향으로 마주하여 배치되는 광학계(240)를 제어하여 조사광의 포커싱을 제어할 수 있다. 테스트 라인(220) 전체에 걸쳐 신호를 수집하고 이를 평균하거나 가장 강한 신호값을 선택하여 분석부에서 분석하도록 구현될 수 있다.The control board of the scanning system may control the focusing of the irradiated light by controlling the optical system 240 disposed to face the detection surface direction. It may be implemented to collect signals over the entire test line 220 , average them, or select the strongest signal value for analysis in the analysis unit.

한편, 스캐닝 시스템의 광학 장치 구성과 운용을 단순화하기 위해 1차 스캔 및 2차 스캔에 사용하는 조사광 등 조건을 같게 하는 것이 바람직하지만, 본 실시예에서 반사형 기준선의 특성과 테스트 라인에서 면역 반응으로 생기는 결과물의 특성은 광학적으로 차이가 있을 수 있으므로 이들을 최적 조건으로 검출하기 위해 1차 스캔에 의해 반사형 기준선을 검출할 때 사용하는 조사광과 2차 스캔에 의해 테스트 라인을 지나며 광신호를 획득할 때 사용하는 조사광은 주파수 등의 특성을 다르게 하는 것도 가능하고, 광신호를 검출하기 위한 실체적 필터나 전자적 처리 방식에 의한 필터 기법을 다르게 사용하는 것도 고려할 수 있다. 마찬가지로, 1차 스캔과 2차 스캔의 검출 정밀도를 다르게 하기 위해 스캔 속도와 디텍터의 감도 설정, 증폭 등을 달리 할 수 있다.Meanwhile, in order to simplify the configuration and operation of the optical device of the scanning system, it is desirable to make the conditions such as irradiation light used for the first scan and the second scan the same, but in this embodiment, the characteristics of the reflective baseline and the immune response in the test line Since the characteristics of the resulting result may be optically different, in order to detect them under optimal conditions, the light signal is acquired by passing through the test line by the irradiation light used to detect the reflective baseline by the first scan and the second scan. It is possible to have different characteristics such as frequency of the irradiated light to be used when doing this, and it is also possible to consider using a different physical filter for detecting an optical signal or a filter technique by an electronic processing method. Similarly, in order to make the detection accuracy of the first scan and the second scan different, the scan speed, the sensitivity setting of the detector, amplification, etc. may be different.

테스트 라인 내 스캔 라인들 사이의 이격 거리는 스캔을 실시하면서 최종적으로 분석부에 의해 얻어지는 신호 그래프에서 상호 간섭에 의한 악영향이 없고, 기계적 움직임과 광학적 측면에서의 구분이 확실하게 이루어질 수 있는 거리라면 이격 거리를 100um 정도로 짧게하는 것이 바람직하며, 1mm 이상의 큰 이격거리를 두면 멤브레인의 신축이 발생하는 경우, 그에 비례하여 테스트 라인의 이격 거리도 증가하므로 1차 스캔에 의해 테스트 라인의 위치를 정할 때에도 오차 범위를 벗어나 잘못된 위치를 정할 가능성이 있으므로 이를 고려하여 설정될 수 있다.The separation distance between the scan lines within the test line is a distance where there is no adverse effect due to mutual interference in the signal graph finally obtained by the analysis unit while scanning and the separation in terms of mechanical movement and optical aspect can be reliably made. It is desirable to shorten the test line to about 100 μm, and if a large separation distance of 1 mm or more occurs, the separation distance of the test line increases in proportion to the expansion and contraction of the membrane. There is a possibility of setting the wrong location out of the way, so it can be set taking this into consideration.

이상의 내용은 테스트 라인을 기준으로 설명하고 있지만 콘트롤 라인(230)에 대해서도 같은 방식으로 적용될 수 있다. 단, 콘트롤 라인(230)의 결과 검출이 테스트 라인의 결과 검출에 비해 명확하게 얻어질 수 있다면 콘트롤 라인에 대해서는 그 주변에 반사형 기준선을 더 설치할 필요는 없을 것이다.Although the above description is based on the test line, the same method may be applied to the control line 230 . However, if the detection of the result of the control line 230 can be obtained more clearly than the detection of the result of the test line, it will not be necessary to further provide a reflective reference line around the control line.

도 20은 도 19의 바이오마커 어레이에서 검출한 바이오마커 농도와 광검출값의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 도 21은 도 19의 바이오마커 어레이 스캔 시 가변 출력 조사광의 적용 과정에 대한 예시도이다. 도 22는 도 19의 바이오마커 어레이에 대한 가변 출력 조사광의 특성 곡선들에 대한 예시도이다. 그리고 도 23은 도 22의 특성 곡선들을 이용하여 광범위 농도의 바이오마커에 대한 검출 과정을 설명하기 위한 도면이다.20 is a graph illustrating a correlation between a biomarker concentration detected in the biomarker array of FIG. 19 and a photodetection value. FIG. 21 is an exemplary diagram of an application process of variable output irradiation light when scanning the biomarker array of FIG. 19 . 22 is an exemplary diagram illustrating characteristic curves of variable output irradiated light with respect to the biomarker array of FIG. 19 . And FIG. 23 is a diagram for explaining a detection process for a biomarker of a wide concentration using the characteristic curves of FIG. 22 .

본 실시예에 따른 바이오마커 어레이형의 신속진단키트를 통해 얻은 바이오마커 스폿(spot)에서의 검출신호의 프로파일은 테스트 라인(Test line, T)과 컨트롤 라인(Control line, C)에서 소정의 농도에 따라 대응신호값으로 나타난다. 따라서, 특정 바이오마커의 농도별 검출신호 특성을 나타내면, 농도가 증가할수록 테스트 라인에서의 대응신호값은 커지게 된다.The profile of the detection signal at the biomarker spot obtained through the biomarker array-type rapid diagnostic kit according to this embodiment has a predetermined concentration in the test line (Test line, T) and the control line (Control line, C). according to the corresponding signal value. Accordingly, when the detection signal characteristics for each concentration of a specific biomarker are shown, the corresponding signal value in the test line increases as the concentration increases.

즉, 농도 범위(density range)에 따른 신호의 변동(signal variation)을 살펴보면, 농도(Bd)가 크면 측정되는 신호 변화(Oi)가 크고, 농도(Bd)가 작으면 측정되는 신호 변화(Oi)가 작다. 이를 그래프로 나타내면 도 20에 도시한 바와 같다.That is, looking at the signal variation according to the density range, when the concentration (Bd) is large, the measured signal change (Oi) is large, and when the concentration (Bd) is small, the measured signal change (Oi) is small When this is shown in a graph, it is as shown in FIG. 20 .

도 20을 참조하면, 바이오마커 농도(biomarker density)가 클 때, 조사광의 세기(검출광세기, optical intensity)를 크게 하면 높은 신호값을 얻을 수 있고, 상대적으로 바이오마커 농도가 작을 때 조사광의 세기(검출광세기)를 크게 하더라도 낮은 신호값을 얻게 됨을 알 수 있다. 여기서 검출 특성 곡선(CG)에서 제1 레벨(L1)은 포화 레벨(saturation level)을 나타내고, 제2 레벨(L2)는 검출 한도(limit of detection)을 나타내면, DR은 유효범위를 나타낸다.Referring to FIG. 20 , when the biomarker density is large, a high signal value can be obtained by increasing the intensity of the irradiation light (detection light intensity, optical intensity), and when the biomarker concentration is relatively low, the intensity of the irradiation light It can be seen that even if the (detection light intensity) is increased, a low signal value is obtained. Here, in the detection characteristic curve CG, the first level L1 represents a saturation level, the second level L2 represents a limit of detection, and DR represents an effective range.

이와 같이, 바이오마커 농도와 광검출값의 상관관계는 역 S-곡선 형태를 가진다. 이러한 역 S-곡선의 검출특성 곡선은 일정 검출광세기 및 일정 증폭 상태에서의 농도별 검출 특성에 대응될 수 있다.As such, the correlation between the biomarker concentration and the photodetection value has an inverse S-curve shape. The detection characteristic curve of the inverse S-curve may correspond to a detection characteristic for each concentration in a predetermined detection light intensity and a predetermined amplification state.

또한, 도 21에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 스캐닝 시스템은 신속진단키트의 마이크로어레이 스캔 시 조사광의 출력을 가변시키면서 지그재그 형태로 이동할 수 있다.Also, as shown in FIG. 21 , the scanning system according to the present embodiment can move in a zigzag form while changing the output of irradiation light when scanning the microarray of the rapid diagnosis kit.

즉, 스캐닝 시스템의 제어보드는 신속진단키트 또는 신속진단키트 내 마이크로어레이(221)의 폭방향(scan1)에서 조사광의 출력(power, W)을 제어하고, 신속진단키트에 투입되는 유체 혹은 검체의 유동방향(scan2)에서 조사광의 출력(power, W')을 제어할 수 있다.That is, the control board of the scanning system controls the output (power, W) of the irradiation light in the width direction (scan1) of the microarray 221 in the rapid diagnosis kit or the rapid diagnosis kit, It is possible to control the output (power, W') of the irradiation light in the flow direction (scan2).

폭방향(scan1) 또는 제1 방향에서 조사광의 제1 출력(W)은 그 중간부분에서 출력이 가장 세도록 제어되거나 출력될 수 있다. 또한, 폭방향과 직교하는 유동방향(scan2) 또는 제2 방향에서 조사광의 제2 출력(W')는 대부분의 영역에서 점진적으로 증가하도록 제어되거나 출력될 수 있다. 일례로, 유동방향에서의 첫번째 라인(r1)에서 스캐닝이 시작된다고 할 때, 첫번째 라인(r1)에 인접한 두번째 라인(r2)의 조사광의 세기는 첫번째 라인(r1)의 조사광의 세기, 평균 세기, 라인 스캔 시작 세기 혹은 라인 스캔 마지막 세기보다 크게 설정되거나 제어될 수 있다.The first output W of the irradiated light in the width direction scan1 or the first direction may be controlled or output so that the output is strongest in the middle portion thereof. In addition, in the flow direction scan2 or the second direction orthogonal to the width direction, the second output W' of the irradiated light may be controlled or output to gradually increase in most areas. For example, when scanning starts from the first line r1 in the flow direction, the intensity of the irradiation light of the second line r2 adjacent to the first line r1 is the intensity of the irradiation light of the first line r1, the average intensity, It may be set or controlled to be greater than the line scan start intensity or the line scan last intensity.

이와 유사하게, 유동방향(scan2)에서의 두번째 라인(r2)에 인접한 세번째 라인(r3)의 조사광의 세기는 두번째 라인(r2)의 조사광의 세기, 평균 세기, 시작 세기 혹은 마지막 세기보다 크게 설정되거나 제어될 수 있다. 또한, 유동방향(scan2)에서의 세번째 라인(r3)에 인접한 네번째 라인(r4)의 조사광의 세기는 세번째 라인(r3)의 조사광의 세기, 평균 세기, 라인 스캔 시작 세기 혹은 라인 스캔 마지막 세기보다 크게 설정되거나 제어될 수 있다.Similarly, the intensity of the irradiation light of the third line r3 adjacent to the second line r2 in the flow direction scan2 is set to be greater than the intensity, average intensity, start intensity, or last intensity of the irradiation light of the second line r2, or can be controlled. In addition, the intensity of the irradiation light of the fourth line r4 adjacent to the third line r3 in the flow direction scan2 is greater than the intensity of the irradiation light of the third line r3, the average intensity, the line scan start intensity, or the line scan last intensity. can be set or controlled.

한편, 유동방향(scan2)에서의 네번째 라인(r4)에 인접한 다섯번째 라인(r5)의 조사광의 세기는, 다섯번째 라인(r5)가 스캐닝의 마지막 라인일 때, 네번째 라인(r4)의 조사광의 세기, 평균 세기, 라인 스캔 시작 세기 혹은 라인 스캔 마지막 세기보다 작게 설정되거나 제어될 수 있다. 위의 경우, 다섯번째 라인(r5)의 조사광의 세기는 첫번째 라인(r1), 두번째 라인(r2) 또는 세번째 라인(r3)의 대응 조사광의 세기와 동일할 수 있다.On the other hand, the intensity of the irradiation light of the fifth line r5 adjacent to the fourth line r4 in the flow direction scan2 is that of the irradiation light of the fourth line r4 when the fifth line r5 is the last line of scanning. The intensity, average intensity, line scan start intensity, or line scan end intensity may be set or controlled to be smaller than the intensity. In the above case, the intensity of the irradiated light of the fifth line r5 may be the same as the intensity of the corresponding irradiated light of the first line r1 , the second line r2 , or the third line r3 .

전술한 광학 스캐닝의 가변 출력 조사광의 세기를 그래프로 개략적으로 나타내면 도 22에 도시한 바와 같이 투과전 파워(excitation power)와 투과후 파워(emission power)와 같다. 투과전 파워는 스캐팅 시스템의 발광장치의 조사광이 마이크로어레이 혹은 마이크로어레이 내의 검체를 투과하지 전의 광세기를 나타내고, 투과후 파워는 조사광이 마이크로어레이 또는 검체를 투과한 후의 검출광세기를 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 투과전 파워는 파형 형태로 스캐닝 과정 대부분에서 점진적으로 커지도록 설정되거나 제어될 수 있다.When the intensity of the variable output irradiation light of the above-described optical scanning is schematically represented as a graph, the power before transmission (excitation power) and power after transmission (emission power) are the same as shown in FIG. 22 . The power before transmission represents the light intensity before the irradiation light of the light emitting device of the scanning system does not pass through the microarray or the sample in the microarray, and the power after transmission represents the intensity of the detection light after the irradiation light passes through the microarray or the sample . As shown in FIG. 8 , the pre-transmission power may be set or controlled to be gradually increased during most of the scanning process in the form of a waveform.

또한, 도 22 및 도 23에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은 가변 여기광 파워 즉, 가변 출력 조사광에 의한 검출특성 곡선들(S1, S2, S3)을 이용하여 광범위 농도의 다중 바이오마커 검출을 위한 확장된 동적 범위(extended dynamic range)를 가진 새로운 검출특성 곡선(S10)을 생성할 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 22 and 23, the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment uses variable excitation light power, that is, detection characteristic curves S1, S2, and S3 by variable output irradiated light, to achieve a wide range of concentrations. It is possible to generate a new detection characteristic curve (S10) with an extended dynamic range for the detection of multiple biomarkers of

동적 범위가 확장된 검출특성 곡선(S10)은 가변 출력 조사광을 사용하여 마이크로어레이를 스캐닝하여 획득한 다중 바이오마커 농도범위별 가변 출력 조사광의 검출특성 곡선들을 보정하여 얻을 수 있다.The detection characteristic curve S10 with the extended dynamic range can be obtained by correcting the detection characteristic curves of the variable output irradiation light for each multi-biomarker concentration range obtained by scanning the microarray using the variable output irradiation light.

예를 들면, 본 실시예에서는 농도범위별 검출특성 곡선들의 편차를 제거하여 단일 곡선 형태의 확장 검출특성 곡선 즉, 복수의 변곡점을 가지는 확장 검출특성 곡선을 얻을 수 있고, 이러한 검출특성 곡선(S10)은 일정 여기광 파워 및 일정 증폭 상태에서의 농도별 검출특성 곡선의 확장전 동적 범위(dr1)와 대비할 때 비약적으로 확장된 동적 범위(extended dynamic range; dr1+dr2+dr3)를 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 고집속 고감도 다채널 형광검출 스캐닝 시스템을 효과적으로 제공할 수 있다.For example, in this embodiment, an extended detection characteristic curve in the form of a single curve, that is, an extended detection characteristic curve having a plurality of inflection points, can be obtained by removing the deviation of the detection characteristic curves for each concentration range, and this detection characteristic curve (S10) may have a dramatically extended dynamic range (dr1+dr2+dr3) in comparison with the dynamic range before expansion (dr1) of the detection characteristic curve for each concentration in a constant excitation light power and a constant amplification state. Therefore, according to this embodiment, it is possible to effectively provide a high-speed and high-sensitivity multi-channel fluorescence detection scanning system.

도 24는 도 1의 형광검출 스캐닝 시스템에 채용할 수 있는 제어시스템에 대한 블록도이다.24 is a block diagram of a control system employable in the fluorescence detection scanning system of FIG. 1 .

도 24를 참조하면, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템의 제어보드(290)은, 도 5의 시스템 제어 보드의 일종으로서, 입력(input) 유닛(291), 출력(Output) 유닛(292), 메인 컨트롤 유닛(MCU, 293), 레이저 다이오드 전원공급장치(LD Power, 294), 증폭기(295), 아날로그 디지털 컨버터(ADC, 296), 및 모터 구동유닛(Moter driver, 297)을 구비하며, 스캐닝 시스템의 레이저 다이오드(LD), 포토 다이오드(PD), 제1 모터 및 제2 모터에 연결될 수 있다. 제1 모터는 횡방향 이동을 위해 설치되고, 제2 모터는 종방향 이동을 위해 설치될 수 있다.Referring to FIG. 24 , the control board 290 of the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment is a type of the system control board of FIG. 5 , and includes an input unit 291 and an output unit 292 . , a main control unit (MCU, 293), a laser diode power supply (LD Power, 294), an amplifier (295), an analog-to-digital converter (ADC, 296), and a motor driving unit (Moter driver, 297), It may be connected to a laser diode (LD), a photodiode (PD), a first motor and a second motor of the scanning system. The first motor may be provided for lateral movement and the second motor may be provided for longitudinal movement.

제어보드(290)는 디스플레이 장치(298)에 연결될 수 있고, 디스플레이 장치(298)는 터치 액정표시장치(Touch LCD) 등과 같은 입출력 겸용의 터치 스크린을 구비할 수 있다.The control board 290 may be connected to the display device 298 , and the display device 298 may include a touch screen for both input and output, such as a touch liquid crystal display (Touch LCD).

메인 컨트롤 유닛(293)은 예를 들어 12비트 해상도에서 단위 기준신호를 4096 단계로 분해하여 일정한 간격으로 포토 다이오드의 데이터를 추출하도록 동작할 수 있다. 또한, 메인 컨트롤 유닛(293)은 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어를 통해 디지털 신호에 대하여 주파수를 설정하고, 펄스폭 또는 듀티 사이클은 신호의 진폭을 조정하여 레이저 다이오드의 세기를 조절할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 4비트나 8비트 해상도의 컨트롤 유닛에 비해 아날로그 디지탈 변환 체계에서 변환 속도를 크게 향상시킬 수 있다.The main control unit 293 may operate to extract the photodiode data at regular intervals by decomposing the unit reference signal into 4096 steps at 12-bit resolution, for example. In addition, the main control unit 293 sets the frequency for the digital signal through pulse width modulation (PWM) control, and the pulse width or duty cycle adjusts the amplitude of the signal to adjust the intensity of the laser diode. have. According to this configuration, it is possible to significantly improve the conversion speed in the analog-to-digital conversion system compared to the control unit with 4-bit or 8-bit resolution.

메인 컨트롤 유닛(293)은 제어유닛, 제어부, 중앙처리장치 등으로 지칭될 수 있고, 마이크로프로세서, 마이컴 등으로 구현될 수 있다.The main control unit 293 may be referred to as a control unit, a control unit, a central processing unit, or the like, and may be implemented as a microprocessor, a microcomputer, or the like.

또한, 메인 컨트롤 유닛(293)은 노이즈 저감 및 유효 정보 획득을 위한 분석 프로그램을 메모리에 저장하고, 메모리에 연결되는 메인 컨트롤 유닛(293)을 통해 분석 프로그램을 수행할 수 있다.Also, the main control unit 293 may store an analysis program for noise reduction and effective information acquisition in a memory, and may execute the analysis program through the main control unit 293 connected to the memory.

분석 프로그램은 스캐닝 스케줄 알고리즘, 포토 다이오드(PD) 검출 전압 누적과 분석 알고리즘 등을 포함할 수 있다.The analysis program may include a scanning schedule algorithm, a photodiode (PD) detection voltage accumulation and analysis algorithm, and the like.

스캐닝 스케줄 알고리즘은 y축 방향으로 자동촛점 배열 형성을 위하여 구동 진행하는 제1 단계-여기서, y축은 100 내지 200 구간보다 큰 구간들로 분해된다-; y축 원점으로 복귀하는 제2 단계; x축 방향으로 자동촛점 배열 형성을 위하여 구동 진행하는 제3 단계-여기서, x축은 40 내지 80 구간보다 큰 구간들로 분해된다-; x축 원점으로 복귀하는 제4 단계; y축 방향으로 이동하여 테스트 라인을 스캐닝하기 시작하여 y축 방향으로 미소구간 이동하는 제5 단계-여기서, 미소구간 이동시에는 상기 제1 단계에서 형성된 자동촛점 배열을 이용함-; 그리고 제5 단계를 연속으로 적용하여 x축 원점에서 끝점까지 스캔을 완료하고 x축 원점으로 복귀하는 제6 단계의 일련의 과정들을 포함할 수 있다.A scanning schedule algorithm is driven in the y-axis direction to form an autofocus arrangement in a first step, wherein the y-axis is decomposed into sections larger than 100 to 200 sections; a second step of returning to the y-axis origin; a third step of driving to form an autofocus arrangement in the x-axis direction, wherein the x-axis is decomposed into sections larger than 40 to 80 sections; a fourth step of returning to the origin of the x-axis; a fifth step of moving in the y-axis direction to start scanning the test line and moving the micro-section in the y-axis direction, wherein, when moving the micro section, the autofocus arrangement formed in the first step is used-; And it may include a series of processes of the sixth step of continuously applying the fifth step to complete the scan from the x-axis origin to the end point and return to the x-axis origin.

그리고, PD 검출 전압 누적과 분석 알고리즘은, y축 방향을 행(n)으로, x축 방향을 열(m)로 이루어지는 분해 구간에 대한 행렬(m*n)의 이차원 메모리 어레이 A[n][m]를 생성하는 제1 단계; 포토 다이오드 또는 수광소자에서 검출되는 신호의 전압(V)을 이차원 메모리 어레이 A[n][m]의 특정 메모리 영역에 저장하는 제2 단계-여기서, 불투명 구간의 기저전압을 0 또는 소정 전압에 해당함-; 상기 y축의 i번째(y[i])에 대해 상기 x축의 첫번째(x[0])에서 마지막번째(x[m-1])까지의 전압 합산을 저장하기 위한 전압 일차원 메모리 어레이(B[n])를 생성하는 제3 단계; 상기 y[i]에 대한 상기 x[0] 내지 x[m-1]에 대한 전압을 합산하여 특정 일차원 메모리 어레이(B[j])에 저장하는 제4 단계; 제4 단계를 반복하는 단계로서 상기 y축의 [0] 내지 [n-1]에 대하여 상기 x[0] 내지 x[m-1]에 대한 전압을 합산하여 특정 일차원 메모리 어레이(B[j])에 각각 저장하는 제5 단계; 각 B[j]에 대해 해당 면적(Si)으로 나누어 검출감도(Ii)를 계산하는 제6 단계; 및 유효판정 기준치로 검출감도의 최대치(Imax)를 선정하는 제7 단계의 일련의 과정을 포함할 수 있다.And, the PD detection voltage accumulation and analysis algorithm is a two-dimensional memory array A[n][ m]; The second step of storing the voltage (V) of the signal detected by the photodiode or the light receiving element in a specific memory area of the two-dimensional memory array A[n][m] - Here, the base voltage of the opaque section corresponds to 0 or a predetermined voltage -; A voltage one-dimensional memory array (B[n]) for storing the sum of voltages from the first (x[0]) to the last (x[m-1]) of the x-axis with respect to the i-th (y[i]) of the y-axis a third step of generating ]); a fourth step of summing the voltages for x[0] to x[m-1] with respect to the y[i] and storing them in a specific one-dimensional memory array (B[j]); A specific one-dimensional memory array (B[j]) by summing the voltages for x[0] to x[m-1] with respect to [0] to [n-1] of the y-axis as a step of repeating the fourth step a fifth step of storing each in ; a sixth step of calculating a detection sensitivity (Ii) by dividing each B[j] by the corresponding area (Si); and a seventh step of selecting the maximum value (Imax) of the detection sensitivity as the effective determination reference value.

여기에서, 전술한 마이크로어레이의 투명 구간에서의 검출 전압의 합산은 다음의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.Here, the sum of the detection voltages in the transparent section of the aforementioned microarray can be calculated by Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 각 구간 검출감도는 다음의 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.In addition, each section detection sensitivity can be calculated by the following Equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

본 실시예에 의하면, 마이크로어레이 상의 신호인 포토다이오드 출력 전압은 바이오 마커 농도별로 설정된 조사광의 크기에 따라 적정한 범위로 획득함으로써 다양한 바이오마커 전체에 걸쳐서 민감도와 특이도 구분 성능이 우수한 형광검출 스캐닝 시스템을 제공할 수 있다. 여기서, 제어보드(290)는 구현에 따라서 형광검출 스캐닝 시스템의 베이스 플레이트나 지지 프레임에 결합된 형태를 구비할 수 있다.According to this embodiment, the photodiode output voltage, which is a signal on the microarray, is obtained in an appropriate range according to the size of the irradiation light set for each biomarker concentration. can provide Here, the control board 290 may have a form coupled to a base plate or a support frame of the fluorescence detection scanning system according to implementation.

또한, 본 실시예의 신속진단키트를 이용하는 형광검출 스캐닝 시스템은 특정 질환 예컨대, 성매개질환, 심혈관질환 등 다양한 항원과 바이오마커가 존재하는 질환과 연관되고 측정 방법이 다양하고 농도 범위가 다른 수 종 내지 수십 종 이상의 바이오마커를 마이크로어레이 형태로서 하나의 기기 상에서 동시 검출할 수 있는 측방유동 기반의 신속진단키트를 이용할 수 있으며, 마이크로스포팅(microspotting) 기술을 사용하여 라인(line) 형태의 신호 영역을 집적화된 스폿(spot) 배열 형태로 검출할 수 있고, 개별 신호에 대한 최적화 정량 알고리즘 기술을 적용하여 1 내지 10pg/ml 수준의 고감도 형광검출을 수행할 수 있다.In addition, the fluorescence detection scanning system using the rapid diagnostic kit of this embodiment is associated with diseases in which various antigens and biomarkers exist, such as specific diseases, such as sexually transmitted diseases and cardiovascular diseases, and has various measurement methods and different concentration ranges. A lateral flow-based rapid diagnostic kit that can simultaneously detect dozens or more biomarkers in the form of a microarray on a single device is available, and a line-shaped signal region is integrated using microspotting technology It can be detected in the form of a fixed spot arrangement, and high-sensitivity fluorescence detection of 1 to 10 pg/ml level can be performed by applying the optimized quantitative algorithm technology for individual signals.

아울러, 본 실시예에 따른 형광검출 스캐닝 시스템은, 광범위 농도(수 pg/ml 내지 수십 ng/ml)에 대한 검출을 위해 조사광에 가변 파워 여기 모드(variable power excitation mode)와 가변 이득 검출 모드(variable gain detection mode) 기술을 적용하여 동적 범위(dynamic range)를 확장함으로써 다중 바이오마커를 효과적으로 검출할 수 있다.In addition, the fluorescence detection scanning system according to the present embodiment includes a variable power excitation mode and a variable gain detection mode ( By applying the variable gain detection mode technology, it is possible to effectively detect multiple biomarkers by extending the dynamic range.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that there is

Claims (10)

광방출-광검출 스캔 구조를 구비하는 다중 형광검출 광학 모듈;
상기 다중 형광검출 광학 모듈의 평면 이동을 지지하는 2차원 구동 스테이지; 및
상기 다중 형광검출 광학 모듈과 상기 2차원 구동 스테이지의 동작을 제어하는 시스템 제어 보드;를 포함하는 형광검출 스캐닝 시스템.
a multiple fluorescence detection optical module having a light emission-photodetection scan structure;
a two-dimensional driving stage supporting the plane movement of the multi-fluorescence detection optical module; and
and a system control board for controlling operations of the multiple fluorescence detection optical module and the two-dimensional driving stage.
청구항 1에 있어서,
상기 다중 형광검출 광학 모듈은, 광원, 상기 광원의 조사 광 경로 상에 배치되는 대물 렌즈, 상기 광원의 광 경로 상에 배치되는 미러, 상기 미러를 통과하는 광을 반사하는 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼, 상기 샘플 플랫폼에서 반사된 광을 상기 미러의 반사를 통해 수신하는 디텍터, 및 상기 미러와 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 집광 렌즈를 구비하는 형광검출 스캐닝 시스템.
The method according to claim 1,
The multi-fluorescence detection optical module includes a light source, an objective lens disposed on an irradiation light path of the light source, a mirror disposed on the light path of the light source, and a well-type sample that reflects light passing through the mirror A fluorescence detection scanning system comprising: a platform; a detector for receiving light reflected from the sample platform through reflection of the mirror; and a condensing lens disposed between the mirror and the detector.
청구항 1에 있어서,
상기 다중 형광검출 광학 모듈은, 광원, 상기 광원의 조사 광 경로 상에 배치되는 대물 렌즈, 상기 광원의 광을 반사하는 웰(well) 타입의 샘플 플랫폼, 상기 광원 옆에 배치되고 상기 샘플 플랫폼에서 반사된 광을 검출하는 디텍터, 상기 샘플 플랫폼과 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 집광 렌즈, 및 상기 집광 렌즈와 상기 디텍터와의 사이에 배치되는 방출 필터를 구비하는 형광검출 스캐닝 시스템.
The method according to claim 1,
The multi-fluorescence detection optical module includes a light source, an objective lens disposed on an irradiation light path of the light source, a well-type sample platform that reflects the light of the light source, and is disposed next to the light source and is reflected from the sample platform A fluorescence detection scanning system comprising: a detector for detecting the emitted light; a condensing lens disposed between the sample platform and the detector; and an emission filter disposed between the condensing lens and the detector.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 광원은 각 채널별 다중 형광 파장대를 수용하는 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 어레이 형태로 배열된 구조를 구비하는 형광검출 스캐닝 시스템.
4. The method of claim 2 or 3,
The light source is a fluorescence detection scanning system having a structure in which light emitting diodes (LEDs) accommodating multiple fluorescence wavelength bands for each channel are arranged in an array form.
청구항 1에 있어서,
상기 2차원 구동 스테이지는,
제1 방향 또는 가로 방향으로 연장하는 제1 슬라이드 바;
상기 제1 슬라이드 바에 결합하여 상기 제1 슬라이드 바를 따라 이동하는 제1 슬라이드 바 조인트;
상기 제1 슬라이드 바의 일단부에 결합하고 상기 제1 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제1 구동부;
상기 제1 슬라이드 바 조인트에 일단부가 결합하고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향 또는 세로 방향으로 연장하는 제2 슬라이드 바;
상기 제2 슬라이드 바에 결합하고 상기 제2 슬라이드 바를 따라 이동하는 제2 슬라이드 바 조인트; 및
상기 제2 슬라이드 바의 타단부에 결합하고 상기 제2 슬라이드 바 조인트를 이동시키도록 설치되는 제2 구동부;를 구비하며,
상기 제1 슬라이브 바는 복수의 제1 바들(first bars)이 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 각각 직교하는 제3 방향으로 이격 배치되고, 상기 제1 슬라이드 바 조인트는 복수의 제1 바들에 슬라이드 가능하게 결합하며,
상기 제2 슬라이브 바는 복수의 제2 바들(second bars)이 상기 제3 방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 슬라이드 바 조인트는 상기 복수의 제2 바들에 슬라이딩 가능하게 결합하며,
상기 제2 슬라이드 바 조인트의 상기 제3 방향에서의 일면에는 상기 다중 형광검출 광학 모듈이 결합되는 형광검출 스캐닝 시스템.
The method according to claim 1,
The two-dimensional driving stage,
a first slide bar extending in a first direction or a transverse direction;
a first slide bar joint coupled to the first slide bar and moving along the first slide bar;
a first driving unit coupled to one end of the first slide bar and installed to move the first slide bar joint;
a second slide bar having one end coupled to the first slide bar joint and extending in a second direction orthogonal to the first direction or in a longitudinal direction;
a second slide bar joint coupled to the second slide bar and moving along the second slide bar; and
a second driving unit coupled to the other end of the second slide bar and installed to move the second slide bar joint; and
The first slide bar includes a plurality of first bars spaced apart from each other in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction, and the first slide bar joint includes a plurality of first bars slidably coupled to the
The second slide bar includes a plurality of second bars spaced apart from each other in the third direction, and the second slide bar joint is slidably coupled to the plurality of second bars;
A fluorescence detection scanning system in which the multiple fluorescence detection optical module is coupled to one surface of the second slide bar joint in the third direction.
청구항 1에 있어서,
상기 시스템 제어 보드는, 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 광원들의 동작을 제어하고, 스텝 모터의 동작 제어를 통해 상기 2차원 구동 스테이지의 동작을 제어하며, 상기 다중 형광검출 광학 모듈의 복수의 디텍터들의 검출 신호를 수신하고, 수신한 검출 신호를 진단시스템에 전달하는, 형광검출 스캐닝 시스템.
The method according to claim 1,
The system control board controls the operation of the plurality of light sources of the multi-fluorescence detection optical module, controls the operation of the two-dimensional driving stage through operation control of the step motor, and the plurality of detectors of the multi-fluorescence detection optical module A fluorescence detection scanning system that receives a detection signal of the two and transmits the received detection signal to a diagnostic system.
청구항 6에 있어서,
상기 시스템 제어 보드의 메인제어부는, 액상시료가 담긴 배열 웰(array wells)을 가로 및 세로로 분할한 복수의 미세영역들에 대해 스캐닝을 복수회 반복하는, 형광검출 스캐닝 시스템.
7. The method of claim 6,
The main control unit of the system control board repeats scanning a plurality of times for a plurality of microregions in which array wells containing a liquid sample are divided horizontally and vertically.
청구항 7에 있어서,
상기 메인제어부는 센서를 이용하여 온도 변화를 검출하고, 상기 온도 변화에 따라 미리 설정된 기준 곡선에 기초하여 상기 복수의 디텍터들의 검출 신호에 대한 온도 보상을 수행하는, 형광검출 스캐닝 시스템.
8. The method of claim 7,
The main controller detects a temperature change using a sensor, and performs temperature compensation on the detection signals of the plurality of detectors based on a preset reference curve according to the temperature change.
청구항 7에 있어서,
상기 메인제어부는 3차원적 공간에 분포하는 액상시료의 검출 반응 정도에 따른 형광 산포의 유효 범위에 따라 초점 위치를 조정하는, 형광검출 스캐닝 시스템.
8. The method of claim 7,
The main control unit adjusts the focal position according to the effective range of fluorescence dispersion according to the detection reaction degree of the liquid sample distributed in the three-dimensional space, the fluorescence detection scanning system.
청구항 6에 있어서,
상기 진단시스템은 회귀적 분석 기반의 머신러닝 알고리즘이나 정량적 분석 알고리즘을 통해 상기 검출 신호를 포함한 2차원 혹은 3차원 측정 데이터의 비선형 또는 곡면에 대한 유효 구간을 결정하는, 형광검출 스캐닝 방법.
7. The method of claim 6,
The diagnostic system determines an effective section for a nonlinear or curved surface of the 2D or 3D measurement data including the detection signal through a regression analysis-based machine learning algorithm or a quantitative analysis algorithm.
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